Partikelbewegung und Trennung in laminar durchströmten Rohren mit nachgeschalteter Strömungsaufweitung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bewegen sich Partikel in einer laminaren Rohrströmung, so wirken Querkräfte in radialer Richtung auf die Partikel. Kleine Partikel werden zur Rohrwand hin bewegt und große Partikel finden ihren Gleichgewichtsradius in der Nähe der Rohrachse. Dieser Effekt wird genutzt, um Partikel unterschiedlicher Größe voneinander zu trennen und einen Klarlauf abzutrennen. Zur Optimierung des Trennvorgangs ist die Kenntnis der größenabhängigen Gleichgewichtsradien von großer Bedeutung. Diese werden mithilfe numerischer Strömungssimulationen bestimmt. Es können, in Übereinstimmung mit aktuellen Ergebnissen von Yang et al. (2005), Abweichungen von der experimentellen Korrelation nach Bauckhage (1977) gefunden werden. Für den Betrieb einer möglichen Trennapparatur ist die Kenntnis der benötigten Rohrlänge, ab der sich die Partikel auf ihrem Gleichgewichtsradius einfinden, von Bedeutung. Dafür werden in der vorliegenden Arbeit Untersuchungen zur Partikelposition in laminaren Rohrströmungen bei verschiedenen radialen Partikel-Startpositionen durchgeführt und die benötigte Einlauflänge untersucht. Ebenso wird ein mathematisches Modell zur Abschätzung der Einlauflängen erstellt. Grundlage dieses Modells ist die Bestimmung der radial wirkenden Kräfte mittels numerischer Strömungssimulation. Sowohl die experimentell ermittelten als auch die numerisch bestimmten Werte zeigen, dass sich die Einlauflänge mit zunehmender Rohr-Reynolds-Zahl und mit steigendem Partikeldurchmesser verringert. Versuche mit unterschiedlichen Partikelkonzentrationen im Rohr zeigen, dass der Effekt der Partikelwechselwirkung im Strömungsrohr auf die radiale Positionierung der Partikel bis zu einem Wert von etwa 5 Vol.-%, abhängig von der Rohr-Reynolds-Zahl und dem Partikeldurchmesser, gering bleibt. Durch eine nachgeschaltete Strömungsaufweitung wird der Effekt der radialen Gleichgewichtsposition in laminaren Rohrströmungen verstärkt. Kleine Partikel, die sich näher an der Rohrwand befinden, bewegen sich in die Strömungsaufweitung. Große Partikel, die sich in der Nähe der Rohrachse positioniert haben, werden über die zentral angeordnete Grobgutabtrennung abgesaugt. Die Partikelbahnen in der Aufweitung werden mit einem Langrange-Ansatz simuliert. Es kann gezeigt werden, dass die Partikelbahnen leicht von den Teilchenbahnen der kontinuierlichen Phase abweichen. Die optimale Rohr-Reynolds-Zahl liegt für die Partikeltrennung ohne Klarlauf bei ReRohr < 10. Durch das Zuschalten einer Klarlauf Absaugung ist eine Erhöhung auf ReRohr = 16 - 19 möglich. Zur Steigerung des Durchsatzes wird die Apparatur mit vier Strömungsrohren betrieben. Es kann gezeigt werden, dass sich die Partikel untereinander für cv < 5% nicht beeinflussen und die Ergebnisse für die Partikeltrennung mit einem Strömungsrohr und mit vier Strömungsrohren übereinstimmen. In der vorliegenden Arbeit werden zudem vier Partikelverteilungen mit Partikelgrößen von 0.12 < d/D < 0.36 hergestellt und die Klassierung bei verschiedenen Betriebsbedingungen betrachtet. Es kann gezeigt werden, dass eine Klassierung in dem be trachteten Bereich mit der gebauten Apparatur durchführbar ist und ein Klarlauf abgetrennt werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Particle classification in high viscous environment, Proc. 7th Int. Conf. Multiphase Flow (ICMF) 2010, Tampa, FL, USA, May 30 - June 4, 2010
Matulka, P.; Potschinski, T.; Walzel, P.
- Partikeltrennung in laminaren Rohrströmungen mit nachgeschalteter Strömungsaufweitung, Chemie Ingenieur Technik 82, 1671-1678, 2010
Matulka, P.; Walzel, P.
- Particle motion and separation in a laminar tube flow with downstream enlargement, Chem. Engineering Sci. 66, 5930-5937, 2011
Matulka, P.; Du, Xin; Walzel, P
- Axial equilibrium distance and positioning of particles in a laminar tube flow, Chem. Engineering Techn. 36, 2029–2034, 2013
Matulka, P.; Fischer, M.; Ehrhard, P.; Walzel, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ceat.201300460)
