Prallzerkleinerung in Strahlmühlen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Peukert; Professor Dr.-Ing. Karl-Ernst Wirth
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238652839

In dem vorliegenden Forschungsprojekt soll der dynamische Zerkleinerungsprozess in Fließbettgegenstrahlmühlen analysiert und darauf aufbauend ein Prozessmodell entwickelt werden. Dieses soll in das entwickelte Fließschemasimulationstool Dyssol implementiert und mit anderen Teilprojekten vernetzt werden. Die Fließbettgegenstrahlmühle stellt dabei einen besonders interessanten Apparat dar, da in ihm drei verschiedene mechanische Grundoperationen vereint werden: Die Zerkleinerung mit hochexpandierten Gasstrahlen, der pneumatische Transport sowie die Klassierung an einem integrierten Abweiseradsichter.In den ersten beiden Förderperioden wurde der Belastungszustand, welche die Partikeln in den Jets erfahren, näher analysiert. Hierfür wurde die Fluidmechanik in unterschiedlichen Versuchsaufbauten untersucht: In einer Halbkreiswirbelschicht wurde die Partikelgeschwindigkeit mittels Particle Image Velocimetry im unter-und überkritischen Bereich bestimmt, um so an die kinetische Energie beim Bruch zu gelangen. Die Feststoffkonzentration in den Strahlen ist mittels kapazitiven Sonden zugänglich. Zudem konnte mithilfe der Röntgencomputertomographie die Strömungsstrukturen nicht invasiv analysiert werden. Zusätzlich wurde in einer kommerziellen Strahlmühle Zerkleinerungskinetiken bestimmt. Darauf aufbauend konnte ein einfaches Modell für die Zerkleinerungsrate erstellt werden, welches die Fluidmechanik mit einer materialspezifischen Bruchwahrscheinlichkeit verknüpft. Darauf aufbauend wurde ein Shortcutmodell für die Zerkleinerungseinheit innerhalb der Mühle entwickelt. Dieses Modell soll in weiteren Untersuchungen auf unterschiedliche Betriebsparameter sowie Geometriegrößen kontinuierlich erweitert werden. Der Fokus soll dabei auf den beiden wichtigsten Größen liegen: Der Partikelgrößenverteilung sowie dem Holdup, welche sich beide in dynamischen Prozessen stark verändern können. Zur experimentellen Bestimmung der apparatespezifischen Größen (Beanspruchungshäufigkeit und Beanspruchungsintensität) wurde zunächst eine Methode für die zweiseitige Belastung entwickelt und etabliert, welche auf die einseitige Belastung in der Fließbettgegenstrahlmühle übertragen werden soll. Hierzu werden sphärische, mechanisch wohl charakterisierte Metallpartikeln dem Apparat zugeführt und die Anzahl an Deformation sowie aussagekräftige Geometrieänderungen mittels Bildanalyse ausgewertet. Auf der Basis von Finite-Elemente-Simulationen und Rasterelektronenmikroskop gestützten Manipulationsexperimenten lassen sich den Geometrieänderungen die entsprechenden volumenspezifischen Energieaufnahmen der Partikeln zuordnen.Zur Bestimmung der für die Simulation benötigten Materialfunktionen für den Fall der einseitigen Belastung wurde die im Rahmen dieses Projektes gebaute Einzelkornprallapparatur verwendet. Bruchwahrscheinlichkeiten und Bruchfunktionen wurden bereits für die Materialien Kalkstein, Aluminiumoxid und Glas bestimmt, so dass nun der Bereich < 40 µm zugänglich ist.

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