Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse

In der Verfahrenstechnik findet die Umwandlung und Veredelung einzelner Produkte aufgrund von Ressourceneffizienz und der Reduktion von Energiekosten durch die Verschaltung von Einzelapparaten zu einer Prozesskette statt. Um Aussagen über den Gesamtprozess zu erhalten reicht hier die Betrachtung des Einzelapparates nicht aus. Durch Rückführungen kann es zu Schwingungen innerhalb der Prozesskette kommen, die nicht durch dei Betrachtung des Einzelapparates beschrieben werden können. Hier bietet die dynamische Fließschema-Simulation die Möglichkeit, unterschiedliche Grundoperationen zu einer Prozesskette zu koppeln. Dieses Konzept findet seit längerem seine Anwendung in der Fluidverfahrenstechnik und soll im Schwerpunktprogramm SPP1679
„Dyn-Sim-FP„der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) auf die Feststoffverfahrenstechnik erweitert werden. Die Basis dieser Methode liegt in der Beschreibung jeder Komponente mittels Massen- und Energiebilanzen.  Für die Beschreibung von Feststoffen ergeben sich zusätzliche Eigenschaften wie die Partikelgröße, die Porosität, die Form oder die Feuchtigkeit. In vielen Fällen liegen diese Größen verteilt vor, was die Beschreibung im Vergleich zu Fluidprozessen deutlich komplexer gestaltet. Einen Gesamtüberblick über das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP1679 mit dem Titel Dyn-Sim-FP (Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse) erhalten sie unter folgendem Link:

Schwerpunktprogramm SPP 1679

Dynamische Simulation der Mechanischen Flüssigkeitsabtrennung in Zentrifugen

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines dynamischen Modells zur Beschreibung der mechanischen Flüssigkeitsabtrennung in kontinuierlich arbeitenden Zentrifugen. Die Auslegung von Zentrifugen beruht auf stark vereinfachten empirischen Ansätzen für den stationären Zustand. Das aufzubringende Feststoff-Flüssigkeitsgemisch durchläuft während des Separationsprozesses unterschiedliche Zustände einer stark verdünnten Suspension bis hin zum kompakten Haufwerk. Diese komplexen Materialvorgänge werden von den bestehenden Modellen nur unzureichend abgebildet.

Dieses Vorhaben entfernt sich von den klassischen Berechnungsmodellen hin zu einer dynamischen  Beschreibung des Separationsvorgangs durch Kopplung von Materialeigenschaften mit der Maschinenfunktion des Apparates. Wobei Materialeigenschaften durch das Sedimentationsverhalten, den Fluidtransport, den Sedimentaufbaus und den Sedimenttransport charakterisiert sind. Die Maschinenfunktionen beschreiben den Einfluß der Verweilzeitverteilung auf die Vorgänge innerhalb von Zentrifugen. Dieses Konzept erfüllt dabei zwei Hauptkriterien dynamischer Fließschema-Modelle.  Aufgrund der Verschaltung einzelner Apparate sollte die Rechenzeit möglichst gering sein, um die gesamte Prozessdauer (i.d.R. mehrere Stunden) darzustellen. Zusätzlich sollte das Modell für eine Vielzahl von Materialien und Maschinen anwendbar sein. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen erste Ergebnisse des neu entwickleten Modells. Dabei wird der Separationsvorgang im zylindrischen Teil einer Labor-Dekantierzentrifuge zeitlich und örtlich aufgelöst. Zusätzlich zeigt Abbildung 2 die Feststoffverteilung nach der Sedimentation entlang des Schneckenkanals.

Abbildung 1: Zeitlicher Verlauf des Abscheidegrads einer Labor-Dekantierzentrifuge nach Änderung der Partikelgrößenverteilung (PVC) am Zulauf nach t = 300 s (blau)

Abbildung 2: Zeitliche und örtliche Auflösung des Sedimentaufbaus entlang des Schneckenkanals einer Labo-Dekantierzentrifuge. Änderung der Feststoffkonzentration am Zulauf nach t = 300 s (blau)