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

Die experimentelle Untersuchung, Modellierung, dynamische Simulation und Bewertung mehrstufiger Partikel-Querstromtrennungen in einem turbulenten Fluidstrom wurde gezielt für das Schwerpunktprogramm "DynSim" ausgewählt, weil dieser typische Trennprozess für die Abtrennung einer großen Zahl von Rohstoffen, Abfällen, Zwischen- und Nebenprodukten in vielen Branchen der stoffwandelnden Wirtschaft eingesetzt wird. Trotz seiner nachweislich guten Prozessleistungen ist damit immer noch eine Reihe ungelöster verfahrenstechnischer Problemstellungen verbunden, wie z.B. fluktuierende Luftströmung und Partikelbeladungen im Trennraum, ausgeprägte stochastische Prozessdynamik sowie resultierende mangelhafte Prozessgüte (Trennschärfe) und Produktqualität (Reinheit). Die nachhaltige Lösung dieser Probleme erfordert die Bereitstellung physikalisch begründeter, multiskaliger und zur Vorhersage geeignete Modelle für die Bewertung und Simulation der Prozessdynamik vernetzter stochastischer Querstrom-Trennungen, die sich künftig bequem in Fliessschema-Simulationen der Feststoffverfahrenstechnik einbinden lassen. Im Einzelnen werden zeitlich und örtlich aufgelöste, analytische und numerische Modelle für die Prozesskinetik und das vernetzte dynamische Querstrom-Trennverhalten der Partikel hinsichtlich ihrer Trennmerkmale Korngröße, -dichte und -form entwickelt. Parallel dazu werden effiziente numerische Simulationen des turbulenten Strömungsfeldes innerhalb des Trennapparates durchgeführt. Stationäre sowie instationäre, Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen  werden mit den  Bewegungsgesetzen der Partikeltranslation und -rotation dank der Diskreten-Elemente-Methode, gekoppelt. Damit werden die Partikel-Bewegungsbahnen in der echten Geometrie der abgeknickten Kanalelemente berechnet. Nach ersten, einseitig gekoppelten Simulationen mit einfachen Wandmodellen werden realistischere Simulationen unter Berücksichtigung physikalischer Partikel-Wand- und Partikel-Partikel-Kollisionen durchgeführt. Die quantitative Validierung der eingesetzten Modelle erfolgt über zeitlich und dreidimensional örtlich aufgelöste Messungen im Trennapparat auf Basis der Particle Tracking Velocimetry. Bei Bedarf können für die Modellüberprüfung Direkte Numerische Simulationen  der Zweiphasenströmung auf Mikro-Ebene eingesetzt werden. Die verfahrenstechnische und energetische Prozessgüte (Trennschärfe, spezifischer Energieeintrag) und Produktqualität der Trennversuche und numerischen Experimente werden modellgestützt bewertet und optimiert. Dem folgen in der zweiten Förderperiode die Berechnung und Bewertung dynamischer Veränderungen der Prozessgüte und Produktqualität bei sprungförmigen und harmonischen Schwankungen des Aufgabestromes, der Beladungen und der Trennmerkmale Korngröße, -dichte und -form. Abschließend werden in der dritten SPP-Phase diese Bewertungs- und Simulationsmodelle in ein multiskaliges, modular aufgebautes Prozess-Systemmodell eingebettet.

Modelling and dynamic simulation of multistage particle cross-flow separations in a turbulent fluid flow

The experimental investigation, modelling, dynamic simulation and evaluation of multistage particle cross-flow separation in a turbulent fluid flow was selected specifically for the priority program 1679 DynSim . This typical separation process is used to separate a large number of raw materials, waste, intermediate and by-products in a lot of economic branches. Despite its proven good pro-cess performance, several unsolved processing problems are still connected with it, e.g. fluctuating (turbulent) air flow and particle contents in separation chamber, marked stochastic process dynam-ics as well as resulting insufficient process performance (separation efficiency) and product quality (purity).The thorough solution of these problems requires the development of physically founded, multi-scale and predictive models to evaluate and simulate the process dynamics of interlinked stochas-tic cross-flow separations that will be incorporated in efficient flow-sheet simulations of solid pro-cessing in future.During this project, time and spatially resolved analytical and numerical models will be developed for the process kinetics and interlinked dynamic cross-flow separation behaviour of particles taking into account relevant separation characteristics like size, density and shape. Additionally, steady and unsteady, spatially resolved, computationally efficient numerical simulations of the turbulent flow field will be carried out. By coupling the resulting flow field with the Newtonian and Eulerian equations describing motion and rotation of the particles thanks to the Discrete Element Method (DEM), the trajectories of the particles will be obtained in the real apparatus. After first one-way simulations with simple wall models, coupled computations involving more realistic particle-wall and particle-particle collisions will be considered. The quantitative validation of the employed mod-els will be possible thanks to comparison with time and spatially resolved, three-dimensional Parti-cle Tracking Velocimetry (PTV) measurements in the apparatus. If needed, additional Direct Nu-merical Simulations (DNS) will be considered for the two-phase flow at microscale. The processing and energetic performance (separation efficiency, specific energy consumption) and product quality of separation experiments and numerical tests will be model-aided evaluated and optimized. Next, the calculation and evaluation of dynamic changes of process performance and product quality will follow for step-wise and harmonic oscillations of feed flow, contents, and separation characteristics like particle size density and shape (2nd phase). Finally, these models will be incorporated in a multiscale, modular constructed processing system model able to describe any combined comminution, agglomeration and cross-flow separation processes (3rd phase).