Simulation der Filtrations- und Konsolidierungsdynamik ultrafeiner Partikelsysteme mittels Kombination von Partikelmechanik, Diskrete-Elemente-Methode und Fluiddynamik

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Jürgen Tomas (†)
• Subject Area: Mechanical Process Engineering
• Term: from 2008 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 77411458

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Die Abscheidung der Flüssigkeit von Suspensionen aus festen kompressiblen Partikeln im Mikrometerbereich ist eine wichtige verfahrenstechnische Aufgabe mit ständig wachsender Bedeutung für die Industrie. Die Druckentwässerung wird in Pressfiltern realisiert und erfolgt in zwei Stufen: Filtration und Konsolidierung (Nachpressen des Filterkuchens). Aufbauend auf den Ergebnissen der Filtrations- und Konsolidierungsversuche sowie der ersten 2D-Simulationen, die während der ersten Förderperiode des Projektes erzielt wurden, wurden in der zweiten Förderperiode weitere Filtrations- und Konsolidierungsszenarien in einem 2D- sowie 3D-Modell simuliert. Aufgrund des polaren Fluids entstehen zwischen den Partikeln zusätzliche repulsive elektrostatische Kräfte und repulsive Kräfte infolge der Scherströmung des Fluids, die in den Bewegungsgesetzen (Bilanzen der Kräfte und Momente) der Partikel sowohl bei Kuchenwachstum und Verdichtung als auch bei der Simulation des Scherverhaltens berücksichtigt werden müssen. Daher wurde ein Kontaktmodell für in Wasser suspendierte Partikel unter Berücksichtigung der DLVO-Wechselwirkungen in das DEM-Modell implementiert. Die Wechselwirkungskräfte zwischen den Partikeln und dem Fluid werden im Laufe der Iteration berechnet. Die simulierte Prozessdynamik wurde mit der gemessenen verglichen und bewertet. Die simulierten Scherversuche dienen der Kalibrierung der mikroskopischen Reibungsparameter innerhalb des DEM-Modells. Es konnte gezeigt werden, dass auf Grund der hohen Kompressionskräfte innerhalb der Press-Scherzelle die Repulsionskräfte der elektrostatischen Doppelschichten zwischen den Partikeln und den Kontaktstellen überwunden werden. Die sich ergebenden großen Unterschiede zwischen den stationären und inneren Reibungswinkeln φst und φi sowie die Werte der Fließfunktion ffc (1

Publications

• Dewatering Behaviour of Ultrafine Particle Packings, in: Proceedings, FILTECH 2011, International Conference & Exhibition for Filtration and Separation Technology, Volume I, Wiesbaden, ISBN 978-3-941655-011-0, S.344-351, 22.-24.03.2011
  Stein, S., Hintz, W., Tomas, J.
  
• Einfluss von Wechselwirkungskräften auf das Entwässerungsverhalten ultrafeiner Partikelpackungen, Abwassertechnik – Infrastruktur und Abwasserbehandlung, Ernst & Sohn-Special Abwassertechnik, A61029, Oktober 2011, S.79 – 82
  Stein, S., Tomas, J.
  
• Influence of interfacial effects on the dewatering behaviour of ultrafine particle packings, in: Proceedings of the 8th European Congress of Chemical Engineering (ECCE-8), Berlin, 25.-29.09.2011
  Stein, S., Tomas, J.
  
• Filtration of Ultrafine Particle Packings – Micro and Macro Behaviour, AES Technical Reviews International Journal. 2012, ISSN 1915-5409
  S. Stein and J. Tomas
  
• Influence Of Interfacial Effects On The De-Watering Behaviour Of Ultrafine Particle Packings, in: Proceedings of the 11th World Filtration Congress (WFC11), Graz, ISBN: 978-3-941655-04-1, insges. 15 S., 16.-20.04.2012
  Stein, S., Tomas, J.
  
• Modelling Of The Filtration Behaviour Using Coupled Dem And Cfd, in: Discrete Element Modelling of Particulate Media, ISBN 978-1-84973-360-1, S.113-120, Kongress: International Symposium on Discrete Element Modelling of Particulate Media, Birmingham, 29.-30.03.2012
  Stein, S., Tomas, J.
  
• Simulation of a Filtration Process by DEM and CFD, International Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics, Vol. 1, Issue 1, 2012, p. 28-35, ISSN 1929-2724
  Stein S., Tomas, J.
  (See online at https://doi.org/10.11159/ijmem.2012.004)
• Simulation of the filtration behaviour of flocculated and nonflocculated suspensions coupling Discrete Element Method and Computational Fluid Dynamics, in: Proceedings of ANQUE International Congress on Chemical Engineering, Sevilla, 24.-27.06.2012
  Stein, S., Tomas, J.