Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Interaktion von Axialtransport, Wärmeeintrag und Reaktion in Drehrohren

Drehrohröfen sind gekennzeichnet durch ihre Rotation um die Rohrachse sowie die Neigung zur Horizontalen, wodurch ein kontinuierlicher axialer Schüttguttransport ermöglicht wird. Während sich der axiale Transport und die damit einhergehenden transversalen Bewegungsmuster der Schüttung in Drehrohren mit makroskopischen Modellen beschreiben lassen, ist der Wärmetransport in einem solchen System nur ansatzweise bekannt. Insbesondere die Auswirkungen der Transversalbewegung auf den axialen Schüttguttransport und den Wärmeeintrag in das Schüttbett sind bisher nicht erforscht. Ziel des Projektes ist es, die Basis für makroskopische Modelle, die das thermische Verhalten während des Axialtransportes eines polydispersen Schüttguts beschreiben können, zu schaffen und um chemische Reaktion zu erweitern. Hierzu wird eine partikelbasierende Simulationsmethodik (DEM), die fortlaufend durch Experimente überprüft wird, eingesetzt, um den Einfluss des Axialtransportes auf den Wärmeeintrag und das Reaktionsverhalten von Schüttgütern zu untersuchen.

Nach Projektende werden verbesserte mathematische Modelle und Berechnungsvorschriften zur Verfügung stehen, mit denen Hersteller von Drehrohren und Engineering Firmen das thermische Verhalten in der Schüttung während des Axialtransportes in Drehrohren bestimmen können. Diese Modelle werden den Einfluss der Dimensionierungs- und Betriebsparamater sowie der Schüttguteigenschaften (mechanisch und thermophysikalisch) berücksichtigen. Der konkrete Nutzen der Modelle ist vielfältig. Besser gesicherte Transportmodelle reduzieren Zeit und Kosten für aufwändige Vorversuche bei der Produktentwicklung, tragen dazu bei Sicherheitszuschläge zu minimieren, verbessern die Produktqualität bzw. senken mögliche Ausschussmengen durch optimierte Einhaltung von Partikel-Zeitverläufen. Dies führt zu verminderten Investitions- und Betriebskosten sowie gesteigerten Erträgen. Mittelbar verbessert dies die Wettbewerbsfähigkeit deutscher KMU auf dem Weltmarkt.

Ergebniszusammenfassung:

Beheizte Drehrohre zur thermischen Behandlung in der Grundstoffindustrie finden einen breiten, branchenübergreifenden Einsatz. Viele deutsche Hersteller solcher, oft speziell zugeschnittener Anlagen, insbesondere die in Entwicklung und Auslegung eingebundenen Ingenieurbüros, sind dem Feld der KMU’s zuzurechnen. Durch die sehr ausführliche und umfassende Dokumentation der theoretischen und experimentellen Projektergebnisse in diesem Bericht, ergibt sich für alle mit Drehrohröfen arbeitenden Unternehmen und Einrichtungen ein breiter Fundus neuer Informationen. Damit stehen die Grundlagen zur Entwicklung neuartiger Produkte und Anwendungen zur Verfügung, was der Qualität der Produkte, der Flexibilität der Anlagen und der Effizienz des Energie- und Stoffeinsatzes zu Gute kommt.

Die Arbeiten haben nicht nur die Komplexität der Vorgänge aufgezeigt, sondern auch viele Wissensdefizite hinsichtlich der messtechnisch und theoretisch schwer zu erfassenden Vorgängen in Drehrohrofenprozessen behoben.

Es wurde gezeigt, dass die Modelle zur Simulation bewegter reagierender Schüttungen in Drehrohren es erlauben, numerische Auslegungskriterien zu entwickeln und entsprechend Geometrieoptimierungen vorzunehmen. Dabei gestattet die neue Entwicklung einer mit DEM gekoppelten „Discrete Ordinates Method“ eine realistischere Beschreibung des Strahlungswärmetransports zur Schüttgutoberfläche.

Die Berücksichtigung von Segregationseffekten und die damit veränderte Verweilzeitverteilung von bidispersen Systemen wird von dem neuen makroskopischen Modell berücksichtigt und sind notwendig um Anlagen optimal auslegen und einstellen zu können. Die DEM gestattet dabei einen umfassenden Einblick in die Detailvorgänge innerhalb des Schüttbettes und die Bestimmung partikelaufgelöster Zustandsdaten.