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Analysis of fluidization and shear conditions in rotary-fluidized beds under dry and wet conditions

Subject Area Mechanical Process Engineering
Fluid Mechanics
Term from 2018 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 413588004
 
Final Report Year 2022

Final Report Abstract

Es wurde zuerst der experimentelle Aufbau des Wirbelschicht-Rotor-Granulators durch ein verbessertes MPT-Messsystem erweitert, welches eine deutliche Erhöhung der Messfrequenz und Messgenauigkeit im Vergleich zum vorherigen Messsystem liefert. Zusätzlich wurde zur Verbesserung der Messsignalerfassung die Anlage gegen magnetische Störeinflüsse abgeschirmt. Dies ermöglichte erstmals die Nachverfolgung von Partikeln mit einem magnetischen Kern von nur 2 mm. Um gleiche Deformationseigenschaften zwischen den magnetischen Tracerpartikeln und den Bettpartikeln zu erhalten, wurde diese mit Polyvinylbutyral beschichtet. Durch umfangreiche Untersuchungen der Deformationseigenschaften der Partikel konnte gezeigt werden, dass eine Schichthöhe von 400 μm für annähernd gleiches Deformationsverhalten ausreicht. Zum Nachweis der Messgenauigkeit des MPT-Messsystems mit den hergestellten Partikeln wurden Fallund Rollversuche durchgeführt und anhand von simultanen Particle Image Velocimetry Messungen validiert. Für die numerischen Untersuchungen der Partikeldynamik in der Anlage wurde die Computational Fluid Dynamics (CFD) mit der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) Zwei-Wege gekoppelt. Ein Flüssigkeitsbrückenmodell wurde in das DEM-Kontaktmodell implementiert, um die kapillaren und viskosen Kräfte während des feuchten Kontakts der Partikel zu beschreiben. Hierbei ist die maximale Flüssigkeitsbrückenlänge eine wichtige Größe, die beschreibt, bei welchem Abstand der Kontaktpartner die Flüssigkeitsbrücke reißt und somit keine Flüssigkeitsbrückenkräfte mehr wirken. Jedoch fehlten für dynamische Kontakte Kenntnisse zur genauen Geometrie von Flüssigkeitsbrücken. Daher wurde im ersten Schritt der Kontakt feuchter Partikel mit drei verschiedenen experimentellen Versuchsaufbauten für Kontaktgeschwindigkeiten von 0,0001 m∙s^-1 bis 4,0 m∙s^-1 untersucht. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse konnte ein neues Modell entwickelt werden, das den erheblichen Einfluss der Aufprallgeschwindigkeit auf die maximale Länge der Flüssigkeitsbrücke berücksichtigt. Dieses Modell wurde dann im zweiten Schritt in das Flüssigkeitsbrückenmodell implementiert. Für einen umfassenden Nachweis der Genauigkeit der Zwei- Wege-Kopplung mit dem in DEM implementierten Kontaktmodell wurden tiefgreifende Untersuchungen der Partikeldynamik von trockenen und feuchten Partikeln während der Fluidisierung in einem Wirbelschicht-Rotor-Granulator durchgeführt. Es wurden die Anzahlkonzentrationen, die Translations- sowie die Rotationsgeschwindigkeiten ermittelt und es ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen und Experimenten. Im Anschluss wurden der Fluidisierungsvolumenstrom, die Rotationsgeschwindigkeit der Platte, die Bettmasse sowie die Flüssigkeitsbeladung variiert. Um die Partikeldynamik des gesamten Partikelbetts besser beschreiben zu können, wurden zwei neue Kennzahlen eingeführt. Diese beschreiben zum einen die Bewegung der Partikel innerhalb der Anlage als auch die Bewegung innerhalb des Partikelbetts selbst. Es ließ sich für alle Fälle ein deutlicher Einfluss der Flüssigkeit auf die Partikeldynamik und die Partikelkontakte feststellen. Dabei zeigte sich, dass die Partikeldynamik maßgeblich vom Fluidisierungsvolumenstrom, der Bettmasse und den Flüssigkeitseigenschaften abhängt. Im Gegensatz dazu führte, ab einer bestimmten Drehzahl, eine weitere Erhöhung der Rotorplattengeschwindigkeit zu keiner Änderung der Partikeldynamik. Darüber hinaus zeigte sich, dass eine Erhöhung der Viskosität zu einer Zunahme der Aggregatgröße führt, wohingegen eine Reduzierung der Flüssigkeitsbeladung und Oberflächenspannung eine Abnahme zur Folge hat. Abschließend wurden die gewonnenen Erkenntnisse genutzt, um einen vollständigen Coatingprozess in einem Wirbelschicht-Rotor-Granulator mittels MPT experimentell zu vermessen.

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