Characterization of the fluid dynamics and discrete particle modelling of a novel spouted bed apparatus

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Stefan Heinrich
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering
• Term: from 2010 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 162490600

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

In einer Kooperationsarbeit zwischen dem Institut für Feststoffverfahrenstechnik und Partikeltechnologie (TU Hamburg-Harburg) und der Forschungsgruppe Multiscale Modelling of Multiphase Flows (TU Eindhoven) wurde die Gas- und Partikeldynamik von Strahlschichten mit einem rechteckigen Apparatequerschnitt untersucht, wobei das Verhalten der Partikelströmung für trockene und befeuchtete Prozessbedingungen (mit zusätzlicher Einsprühung einer Flüssigkeit) charakterisiert wurde. Die Untersuchungen umfassten experimentelle und numerische Studien mit der CFD-DEM-Kopplung. Es wurden zwei Apparatekonzepte zur Intensivierung der Partikelbewegung und der Eliminierung von Totzonen untersucht: (i) eine prismatische Ausführung des unteren Apparateteils der Anlage in einer Kombination mit justierbaren Gaseigängen und (ii) eine Strahl-Wirbelschicht mit einer zusätzlichen Fluidisation der Rückflusszonen von Partikeln. Für beide Anlagetypen wurde der Einfluss von internen Einbauten auf die Gas- und Partikeldynamik untersucht. Die in Abhängigkeit von Betriebsparametern entstehenden Strömungszustände wurden identifiziert und mit dem jeweiligen zustandstypischen Verhalten des Gasdrucks (Druckfluktuationen) korreliert. Die identifizierten Strömungsarten wurden in Zustandsdiagrammen zusammengefasst, die dimensionslose Kennzahlen beinhalten. Die Partikelströmung wurde für einige ausgewählte Betriebsbereiche simuliert und durch die Auswertung von Simulationen sehr detailliert charakterisiert. Das Strömungsverhalten (Strömungsstabilität) der industriell weit verwendeten prismatischen Strahlschicht wurde verbessert. Dafür wurde der Einfluss der Gasgeschwindigkeit, des Partikelinventars, der Geometrie der Gasanströmeinheit (Gaseingangsgröße und die Geometrie des Zentralprofils) sowie des prismatischen Winkels und der nachgerüsteten Steigplatten untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse dienten der Optimierung der Anlagengeometrie. Weitere Untersuchungen an der prismatischen Geometrie umfassten den Einfluss der Anlagentiefe (geometrische Dimension für die Maßstabsübertragung). Im Rahmen der Untersuchungen zum Einfluss der Einsprühung einer Flüssigkeit wurde ein neuartiges CFD-DEM-Modell mit gekoppelter Wärme- und Stoffübertragung in Kombination mit Flüssigkeitseinsprühung ausgearbeitet und zur Strömungssimulation angewendet. Die Simulationsergebnisse wurden mit Experimenten verglichen, wobei eine einzigartige Kombination von Particle Image Velocimetry (PIV) und Infrarot-Thermographie (IRT) angewendet wurde. Neben den Charakterisierung und Modellierung des Strömungsverhaltens auf der Apparateskala wurden Untersuchungen zur Beschreibung und Modellierung des Kollisionsverhaltens von Einzelpartikeln bei Vorhandensein von Flüssigkeitsschichten durchgeführt.

Publications

• Using DPM on the way to tailored prismatic spouted beds, Chem. Ing. Tech. 84 (2012), 388-394
  V. Salikov, S. Antonyuk, S. Heinrich
  
• Discrete particle modeling of a novel prismatic spouted bed reactor, in Proceedings of Fluidization XIV conference, Noordwijkerhout, Niederlande, 2013
  V. Salikov, V.S. Sutkar, S. Antonyuk, S. Heinrich, N.G. Deen, J.A.M. Kuipers
  
• Experimental investigations of a pseudo 2D spout fluidized bed with draft plates, Chem. Eng. Sci. 102 (2013), 524-543
  V.S. Sutkar, T.J.K. van Husel, N.G. Deen, V. Salikov, S. Antonyuk, S. Heinrich, J.A.M. Kuipers
  
• Numerical investigations of a pseudo-2D spout fluidized bed with draft plates using a scaled discrete particle model, Chem. Eng. Sci. 104 (2013), 790-807
  V.S. Sutkar, N.G. Deen, B. Mohan, V. Salikov, S. Antonyuk, S. Heinrich, J.A.M. Kuipers
  
• CFD-DEM simulations of the gas and particle dynamics in a novel prismatic spouted bed, in Proceedings of 11th International Conference on Fluidized Bed Technology (CFB- 11), Peking, China, 2014
  V. Salikov, S. Antonyuk, S. Heinrich, V.S. Sutkar, N.G. Deen, J.A.M. Kuipers
  
• A Novel Approach to Determine Wet Restitution Coefficients Through a Unified Correlation and Energy Analysis, AIChE J. 61 (2015), 769-779
  V.S. Sutkar, N.G. Deen, J.T. Padding, V. Salikov, B. Crüger, S. Antonyuk, S. Heinrich, J.A.M. Kuipers
  
• Characterization and CFD-DEM modelling of a prismatic spouted bed, Powder Technol. 270 (2015), 622-636
  V. Salikov, S. Antonyuk, S. Heinrich, V.S. Sutkar, N.G. Deen, J.A.M. Kuipers
  
• Experimental and numerical investigations of a pseudo-2D spout fluidized bed with draft plates, Powder Technol. 270 (2015), 537-547
  V.S. Sutkar, N.G. Deen, V. Salikov, S. Antonyuk, S. Heinrich, J.A.M. Kuipers
  
• Experimental study of hydrodynamics and thermal behavior of a pseudo-2D spout-fluidized bed with liquid injection, AIChE J. 61 (2015), 1146-1159
  V.S. Sutkar, N.G. Deen, A.V. Patil, E.A.J.F. Peters, J.A.M. Kuipers, V. Salikov, S. Antonyuk, S. Heinrich
  
• Investigations on the spouting stability in a prismatic spouted bed and apparatus optimization, Adv. Powder Technol. 26 (2015), 718-733
  V. Salikov, S. Heinrich, S. Antonyuk, V.S. Sutkar, N.G. Deen, J.A.M. Kuipers
  
• Spouting in a prismatic apparatus: a numerical and experimental evaluation, in Proceedings of 7th International Granulation Workshop, Sheffield, England, 2015
  V. Salikov, S. Heinrich, S. Antonyuk, V.S. Sutkar, N.G. Deen, J.A.M. Kuipers
  
• CFD-DEM model for coupled heat and mass transfer in a spout fluidized bed with liquid injection, Chem. Eng. J., Volume 288, 15 March 2016, Pages 185-197
  V. S. Sutkar, N.G. Deen, A.V. Patil, V. Salikov, S. Antonyuk, S. Heinrich, J.A.M. Kuipers