Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Umfassende numerische Simulationen zur rechnerischen Auslegung von Zentrifugen: Trennung und Klassierung polydisperser Partikelsysteme

Die Verwendung von Zentrifugen zur mechanischen Flüssigkeitsabtrennung ist in vielen Industriezweigen weit verbreitet. Trotzdem sind für die Auslegung von Zentrifugen nur stark vereinfachte analytische Methoden vorhanden. Zusätzlich treten Wissenslücken beim Prozessverständnis auf. Grund dafür sind die experimentell schwerzugänglichen Vorgänge beim Trennprozess. Mit der immer steigenden Rechenleistung ist es nun jedoch möglich, die Vorgänge mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) zu untersuchen.

In dem Vorläuferprojekt wurde eine neue Simulationsmethode entwickelt, mit welchen der Sedimentaufbau aus monodispersen Partikeln unter Berücksichtigung vom möglichen Sedimentfließen für sowohl kompressible als auch inkompressible Sedimente simuliert werden kann. Zusätzlich wurden Untersuchungen von dem Fließverhalten von inkompressiblen Haufwerken durchgeführt. Zur Untersuchung des Fließverhaltens von kompressiblen Haufwerken konnten aus apparativen Gründen nur erste Testversuche durchgeführt werden. Jetzt wird die Methodik um den Einfluss der Partikelgrößenverteilung des Partikelsystems und der Gasphase erweitert. Dadurch kann sowohl beim Trennprozess als auch bei der Beschreibung des Fließverhaltens der Einfluss der Partikelgrößenverteilung berücksichtigt werden. Zusätzlich wird eine modifizierte Scherzelle für ein Ringschergerät konstruiert, um das Materialverhalten von kompressiblen Haufwerken tiefgehend untersuchen zu können. Schlussendlich wird eine Methodik zur Verfügung stehen, welche den Trenn- als auch Klassierungsprozess in Vollmantelzentrifugen abbilden kann und dabei das komplexe Fließverhalten des Sedimentes berücksichtigt. Dies führt zu einem vertieften Prozessverständnis, was besonders dem Industriezweig des Zentrifugenbaus unterstützt. Dieser ist vor allem im Bereich der KMUs angesiedelt. Die entwickelte Simulationsmethode dient gleichzeitig noch als Grundlage für Methoden zur Simulation von anderen Zentrifugen-Typen wie z. B. Filterzentrifugen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Entwicklung einer Simulationsmethode für numerische Strömungssimulationen des Trennprozesses polydisperser Partikelsysteme in Vollmantelzentrifugen, welche sämtliche Zustände bei dem Trennprozess abbilden kann, stellt ein Novum in der mechanischen Verfahrenstechnik ist. Sie erlaubt die Durchführung von Langzeit-Simulationen um örtlich und zeitlich aufgelöst den Sedimentaufbau und Wechselwirkungen des Sedimentes auf die Strömung zu untersuchen. Dafür kann eine beliebige Anzahl an Partikelklassen transportiert werden. Entscheidend für die Genauigkeit der Simulationsmethode ist die Berücksichtigung das unterschiedliche Materialverhalten des Sedimentes: Kompressionsverhalten und Fließverhalten. Beides hat einen bedeutenden Einfluss auf die Sedimentverteilung und somit auf die Strömungsbedingungen im Rotor. Diese Methode erlaubt zum ersten Mal den Trennprozess in einem unbekannten Detaillierungsgrad zu untersuchen. Somit ist es möglich allgemein das Prozessverständnis und somit die Auslegung und Prozessoptimierung zu verbessern. Weiterhin unterstützt die Methode die Entwicklung weiterer Modelle für nicht ganz so aufgelöste Simulationen, wie dynamische Fließschemata-Simulationen, die aktuell verstärkt zur Auslegungsunterstützung und Prozessregelung angewendet werden.

Die entwickelte modifizierte Scherzelle steht eine neuartige Messapparatur zur Verfügung mit der die Charakterisierung des Fließverhaltens und der Scherverdichtung flüssigkeitsgesättigter und kompressibler Haufwerke ermöglicht. Beides hat einen entscheidenden Einfluss bei sämtlichen Transport- oder Verdichtungsprozessen gesättigter Haufwerke, wie in Dekantierzentrifugen und bei der Schwingungsverdichtung von Filterkuchen. Die Scherzelle ermöglicht die notwendigen Materialverhalten zu bestimmen und diese direkt in die Prozessauslegung einfließen zu lassen.