Modellierung und dynamische Simulation mehrstufiger Partikel-Querstromtrennungen in einem turbulenten Fluidstrom

Die Arbeit befasst sich mit der Modellierung und dynamischen Simulation der mehrstufigen Partikel-Querstromtrennung in einem turbulenten Fluidstrom.

Die Möglichkeit einer scharfen Trennung und die damit verbundene gute Aufbereitung von Rohstoffen, Zwischenprodukten und Abfällen ist für verschiedene Industriezweige von entscheidender Bedeutung. Ein Ansatz, die erforderliche Trennung durchzuführen, bietet die mehrstufige Aerosortierung mit Hilfe eines Zick-Zack-Sichters. Das Verfahren ist seit geraumer Zeit bekannt und kommt vor allem in der stoffwandelnden Industrie zum Einsatz: neben der Zementaufbereitung spielt die mehrstufige Querstromtrennung bei der Trennung von Kabelschrott oder der Trennung von Stielen und Blättern in der Tabak- und Teeindustrie eine wichtige Rolle.
Ausschlaggebend für den verbreiteten Einsatz der mehrstufigen Aerosortierung ist neben den sehr guten Prozessleistungen die nahezu beliebig einstellbare Trennkorngröße im µm- und unteren mm-Bereich. Die Trenndichte erstreckt sich ebenfalls über einen sehr großen Bereich. Außerdem kann der Durchsatz von 5 bis 15 t∙m^-2∙h^-1 durch Parallelschaltung mehrerer Kanäle nahezu beliebig erhöht werden. Die Trennschärfe wird maßgeblich von der Anzahl der Trennstufen beeinflusst.
Den Vorteilen stehen allerdings auch einige Nachteile gegenüber. Auf Grund von Segregation im Vorratsbunker stellen sich Schwankungen im Aufgabestrom hinsichtlich Menge und wichtigen Partikeleigenschaften (Größe, Dichte, Form) ein. Daraus resultiert eine örtlich und zeitlich verteilte Partikelbeladung der Luft, die sich negativ auf die Trennung und den mit dem Druckverlust verbundenen Leistungsbedarf auswirken kann. In der Folge kann sich die turbulente Strömung unter Umständen zu einer pulsierenden Strömung entwickeln. Während eine zunehmende Anzahl an Trennstufen die Trennschärfe verbessert, steigen der Druckverlust und der damit verbundene Energiebedarf an. Der Einfluss des Schwarmverhaltens bei höheren Beladungen muss ebenfalls berücksichtigt werden. Aus der unbekannten Prozesskinetik resultiert eine mangelhafte Prozesszuverlässigkeit.
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung numerischer Modelle für die partikelbeladene Luftströmung auf Basis von gekoppelten CFD-DEM-Simulationen mit ANSYS Fluent (www.ansys.com). Die Validierung der Simulation erfolgt mittels PTV-Messungen und dem Vergleich von Trennfunktionen und Trennschärfen aus Simulation und Experiment.