Entwicklung eines dynamisch-physikalischen Modells für den Prozessschritt Sieben

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Harald Kruggel-Emden
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238373056

In der mechanischen Verfahrens- und Aufbereitungstechnik ist es häufig notwendig, disperse Feststoffsysteme nach ihren Partikelgrößen oder -formen aufzutrennen. Innerhalb vernetzter Gesamtprozesse ist dies erforderlich, da Schüttgüter oft aus Partikeln unterschiedlicher, teilweise stark nicht-sphärischer Form und breiter Größenverteilung bestehen, aber definiert enge Partikelgrößenverteilungen für anschließende Prozessschritte nötig sind. Auf diesem Hintergrund ist das Sieben ein technisch einfacher, aber gut geeigneter, diskontinuierlich oder kontinuierlich ablaufender Trennprozess. Trotz seiner Etabliertheit ist die Auslegung, Optimierung und Skalierung von Siebprozessen nicht trivial, da das Verfahren zuzüglich seiner Teilprozesse und seiner Dynamik noch nicht ausreichend verstanden ist. Obwohl Fortschritte erzielt wurden, mangelt es noch immer an physikalisch begründeten Prozessmodellen.Um Siebsysteme auszulegen oder zu optimieren, kommen partikelbasierte Simulationsverfahren, wie die Diskrete Elemente Methode (DEM), zur Anwendung, die es nach einer entsprechenden Validierung ermöglicht, detailliert den Prozess des Siebens abzubilden. Ebenso sind phänomenologische Modelle zur Optimierung von Apparate- und Betriebsparametern geeignet, von denen einfache Modelle, die in stationären Prozesssimulationspaketen Anwendung finden, nur den nicht-zeitlich aufgelösten Ausgang der Trennoperation berücksichtigen. Andere Modelle beziehen die Wechselwirkungen zwischen Stratifikation und Partikeldurchtritt durch das Sieb mit ein. Gewöhnlich wurden die empirisch zu ermittelnden, stoff-, betriebs- und apparatespezifischen Parameter für phänomenologische Modelle experimentell bestimmt, wohingegen direkte Ableitungen von Parametern für dynamische Modelle für den Prozessschritt Sieben durch DEM-Anwendungen bisher kaum erfolgten. Dies gilt vor allem für Untersuchungen von Systemen mit realen Partikeln komplexer Form unter Einfluss von Nässe. Während für das beantragte Projekt in den ersten beiden Förderperioden diskontinuierliches und kontinuierliches Sieben in realitätsnahen Systemen mit trockenen und feuchten Partikeln untersucht wurde, wird in der 3. Phase das Nasssieben fokussiert. Mittels DEM-Simulationen, deren Validierung an Experimenten innerhalb des SPP 1679 stattfand und ebenso für die neuen Systemeigenschaften durchgeführt wird, werden diskontinuierliche und kontinuierliche Siebprozesse zeitaufgelöst bei unterschiedlicher mechanischer Anregung für polydisperse Systeme realer Partikelformen mit Einfluss von Nässe bei zeitlich wechselnden Betriebsbedingungen betrachtet. Dynamische phänomenologische Modelle, die um die beobachteten Zusammenhänge und prädiktive Eigenschaften erweitert werden, finden zur Abbildung der numerischen Ergebnisse Verwendung. Aus vereinfachten DEM-Simulationen werden die erforderlichen Parameter für die neuen, laufzeiteffizienten Modelle gewonnen, die in dynamischen, vernetzten Feststoff-Prozesssimulationen Verwendung finden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1679: Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse