Deutsche Forschungsgemeinschaft
SPP 1679
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Dynamische Simulation der Mechanischen Flüssigkeitsabtrennung in Zentrifugen

Institut:

Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Projektleiter:

Prof. Dr.-Ing. habil. H. Nirschl, KIT

Bearbeiter:

Dipl.-Ing. Marco Gleiß, KIT

 

Projektziel

Als Endprodukt eines vernetzten Feststoffprozesses steht in der Mehrzahl der Fälle ein trockener Feststoff mit gezielt eingestellten Produkteigenschaften. Zu Beginn und während des Prozesses finden sich jedoch Schritte, die in der flüssigen Phase stattfinden. Innerhalb solcher Prozesse nimmt die Fest-Flüssig Trennung einen hohen Stellenwert ein. Die Kernaufgaben liegen dabei in der Abscheidung, Klassierung oder mechanischen Entfeuchtung des Produktes. Während bei der Abscheidung das Ziel eine möglichst vollständige Separation von flüssiger und fester Phase ist, wird bei der Klassierung das Partikelkollektiv nach einer bestimmten Eigenschaft in zwei oder mehrere Fraktionen aufgeteilt. Die vollständige Entfeuchtung des Produkts erfolgt aus energetischen Gründen in der Regel aus Kombination von mechanischer und thermischer Entfeuchtung. Der größte Teil der Flüssigkeit wird dabei mechanisch in einem Filtrations- oder Zentrifugationsschritt abgetrennt. Der Übergang von mechanischer zu thermischer Entfeuchtung ist stets apparate- und produktabhängig. Eine reine thermische Entfeuchtung erweist sich in den allermeisten Prozessen als unwirtschaftlich.

Ziel des Vorhabens bildet die Formulierung eines physikalischen Modells zur dynamischen Simulation der Fest-Flüssig Trennung, explizit am Beispiel einer Dekantier-Zentrifuge. Die Wahl des Dekanters als Trennapparat beruht auf der kontinuierlichen Bauweise und des breiten Anwendungsfeldes in der Prozesstechnik. Dabei werden in einer Dekantierzentrifuge unterschiedlichste Zustände von Sedimentation sowie bei Erreichen des Gelpunkts die Konsolidierung des Partikelsystems, Feststofftransport und Entfeuchtung des Sediments durchlaufen. Durch Kombination von theoretischen und experimentellen Untersuchungen erfolgt die Beschreibung der Prozessdynamik der unterschiedlichen Zustände in Abhängigkeit der Partikeleigenschaften.

Arbeitsprogramm

Die Beschreibung der Einflussgrößen erfolgt auf mikro- (Partikel) und makroskopischer Ebene (Partikelsystem) für relevante Parameter. Hier wird zwischen Maschinen und Materialeigenschaften unterschieden. Die in einer Dekantierzentrifuge durchlaufenen makroskopischen Vorgänge können durch Materialfunktionen für Sedimentation und Konsolidierung sowie Transport und Entfeuchtung beschrieben werden. Dabei wird die Auswirkung der Partikelgrößenverteilung sowie physiko-chemischer Eigenschaften auf die Ausgabegrößen wie den Trenngrad berücksichtigt. Die Untersuchungen erfolgen an ausgewählten Laborapparaten. Die Bestimmung von Maschinenfunktionen wird an einer Labor-Dekantier-Zentrifuge mithilfe von Verweilzeitmessungen durchgeführt. Hierbei sind der Einfluss sich ändernder Maschinengrößen, wie Rotordrehzahl, Differenzdrehzahl der Schnecke sowie des Volumenstroms durch Verweilzeitmessungen zu untersuchen. Aus den gewonnenen experimentellen Daten kann nachfolgend ein Modell für das dynamische Verhalten einer Dekantierzentrifuge für die einzelnen Maschinenparameter abgeleitet werden.

Die Modellierung des Systems erfolgt zweidimensional durch Verknüpfen von axialem Transport entlang des Schneckenkanals für Feststoff und Flüssigkeit und der Sedimentation der Partikel in radialer Richtung. Mithilfe von experimentellen Untersuchungen an einem Labor-Dekanter soll ein bereits bestehendes theoretisches Modell validiert und damit ein Short-Cut Modell abgeleitet werden, welches nur die wichtigsten Einflussgrößen berücksichtigt. Darüber hinaus sollen die Berücksichtigung der mikroskopischen Ebene von Sedimentation, Feststofftransport und Entfeuchtung bereits bestehende Modelle validiert und erweitert werden. Als Modellsysteme dienen im beschriebenen Vorhaben ein näherungsweise inkompressibles Partikelsystem wie PVC und ein kompressibles Modellsystem wie Titandioxid oder Aluminiumoxid.