Adaptive Porennetzwerkmodellierung von thermochemischen Prozessen in einzelnen porösen Partikeln

Ein Einzelpartikelmodell mit hoher Genauigkeit ist von zentraler Bedeutung für DEM/CFD-Simulationen eines Bettes, das mit einer Population von thermisch dicken Feststoffpartikeln gefüllt ist und einem thermischen Prozess (z. B. Trocknung) oder einem thermochemischen Prozess (z. B. Kalzinierung, Pyrolyse oder Verbrennung) ausgesetzt ist. Ein solches Modell muss im Wesentlichen den Wärme- und Stofftransport innerhalb eines einzelnen porösen Teilchens, morphologische Veränderungen seiner Porenstruktur, chemische Reaktionen und die Verbindung zur flüssig-festen Umgebung des Teilchens berücksichtigen. Das Projekt B4 zielt darauf ab, einen großen Durchbruch bei der Modellierung und Simulation dieser Phänomene auf der Ebene eines einzelnen Teilchens und unter realistischen Prozessbedingungen zu erzielen. Dieses Projekt wird sich auf die mikroskopische diskrete und makroskopische Kontinuumsmodellierung sowie auf die experimentelle Charakterisierung der Trocknungs- und Kalzinierungsprozesse konzentrieren. Diskrete Modelle werden auf der Grundlage erster Prinzipien entwickelt. Da sich die Porengröße im Laufe der Zeit aufgrund von thermischen Belastungen (Schrumpfung während der Trocknung) oder chemischen Reaktionen (Verbrauch der festen Phase) ändert, muss die Porenstruktur im Laufe der Zeit verfolgt und entsprechend aktualisiert werden. Die vollständige Berücksichtigung struktureller Veränderungen ist einer der wichtigsten Fortschritte, die mit Hilfe adaptiver diskreter Porennetzmodelle - einer neuen Familie diskreter Modelle - erzielt werden sollen. Es werden Modellerweiterungen vorgenommen, um interne Temperaturgradienten und unstrukturierte Netzwerke mit physikalisch realistischen Porenstrukturen zu berücksichtigen. Die innere Porenstruktur und die volumetrische Veränderung eines Partikels werden durch Techniken wie die µ-CT-Bildgebung charakterisiert. Phänomene auf der Porenskala sind für diskrete Modelle direkt zugänglich. Diese Tatsache wird genutzt, um die klassischen Kontinuumsmodelle von zu überarbeiten, indem Inputs von repräsentativen diskreten Porennetzwerksimulationen genommen und effektive Parameter in ein makroskaliges Kontinuumsmodell eingespeist werden. Um das Kontinuumsmodell mit Vorhersagefähigkeiten auszustatten, werden hochwertige und verlässliche gravimetrische Messungen für einzelne Partikel in Thermowaagenreaktoren unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Auf dieser Grundlage werden die klassischen Kontinuumsmodelle verbessert und nach ihrer Modellordnungsreduktion in die DEM/CFD-Bibliotheken implementiert.

Adaptive pore network modelling of thermochemical processes in single porous particles

A single particle model with high accuracy is central to DEM/CFD simulations of a bed packed with a population of thermally-thick solid particles and exposed to a thermal process (such as drying) or a thermochemical process (such as calcination, pyrolysis, or combustion). A model as such must essentially account for heat and mass transfer within a single porous particle, morphological changes of its pore structure, chemical reactions and the connection to the particle’s fluid-solid surroundings. Project B4 aims at performing a major breakthrough in the modelling and simulation of these porescale phenomena at the level of a single particle and under realistic process conditions. This project will concentrate on microscopic discrete and macroscopic continuum modelling as well as on experimental characterisation of the drying and calcination processes. Discrete models will be developed based on first principles. Since the pore size will change over time due to thermal stress (shrinkage during drying) or chemical reactions (consumption of solid phase), the pore structure must be traced over time and updated accordingly. Full consideration of structural changes is one of the major advances that will be made with the help of adaptive discrete pore network models - a new family of discrete models. Model extensions shall be made to account for internal temperature gradients and unstructured networks with physically realistic pore structures. The interior pore structure and volumetric change of a particle will be characterised by techniques such as µ-CT imaging. Pore-scale phenomena are directly accessible by discrete models. This fact will be used to revisit the classical continuum models, taking inputs from representative discrete pore network simulations and feeding effective parameters to a macro-scale continuum model. To endow the continuum model with predictive capabilities, high-quality and trustworthy gravimetric measurements will be conducted for single particles in thermo-balance reactors under controlled conditions. On this basis, the classical continuum models will be upgraded and thus implemented in the DEM/CFD libraries after their model-order reduction.