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Umfassende numerische Simulationen zur rechnerischen Auslegung von Zentrifugen

IGF-Nr. 18461 N

In dem IGF-Vorhaben 18461 N wurde eine Simulationsmethode entwickelt, welche es ermöglicht, den Trennprozess unter Berücksichtigung des Sedimentaufbaus in Zentrifugen zeitlich und örtlich aufzulösen.

Zur Berechnung der turbulenten Mehrphasenströmung im Rotor der Zentrifuge wird auf eine vereinfachte Euler-Euler Methode zurückgegriffen. Das Mehrphasensystem vereinfacht sich somit zu nur einer Mischphase. Der Volumenanteil des Feststoffes bildet dabei die disperse Phase ab. Die Berechnung des Feststofftransportes reduziert sich auf das Lösen von nur einer Transportgleichung. Eine sehr effiziente Verschaltung zwischen dem Feststofftransport und Berechnung der Strömung erlaubt die Durchführung von Langzeitsimulationen mit einem vertretbaren Bedarf an Rechenzeit, um den kompletten Füllvorgang abzubilden. Die Rückwirkung des Sedimentes auf die Strömung erfolgt über die Verwendung einer bereichsweise definierten Viskositätsfunktion. Das Fließverhalten hat einen entscheidenden Einfluss auf die Struktur und Verteilung des Sedimentes. Durch die geeignete Wahl der Viskositätsfunktion ist es möglich, diesen Einfluss in den numerischen Simulationen zu berücksichtigen. Um kompressibles Materialverhalten simulieren zu können, wurde der Ansatz von Tiller implementiert. Dadurch kann jedoch die Konsolidierungsphase nicht richtig abgebildet werden.

Somit steht am Ende des Projektes eine Simulationsmethode zur Verfügung, welche es erlaubt, numerische Untersuchung von Trennprozessen mit kompressiblen oder inkompressiblen und leicht- oder schwer-fließenden Sediment durchzuführen. Die Simulationsmethode ist auf den Transport von nur einer mittleren Partikelgröße limitiert. Für die Validierung der Simulationsmethode bedurfte es eines modifizierten Rotors und neuer Messtechnik. Mit der Fertigung eines Einsatzes für den Rotor einer Röhrenzentrifuge im Labormaßstab und einer Messapparatur zur Vermessung des Sedimentes nach dem Versuch sind alle Geräte vorhanden, um die Simulationsmethode bei Kenntnis des Materialverhaltens validieren zu können.

Ein weiterer Hauptaspekt neben der Methodenentwicklung stellte die Charakterisierung des Fließverhaltens von gesättigten Haufwerken dar. Die Versuche dazu wurden mit einem Ringschergerät der Fa. Dr. Dietmar Schulze durchgeführt. Für inkompressible Haufwerke reichte die Standardausführung der Scherzellen aus, um das Fließverhalten zu bestimmen. Bei kompressiblen Materialverhalten mussten die Haufwerke in einer Becherzentrifuge vorher gebildet und konsolidiert werden. Trotz der aufwendigen Probenvorbereitung reduzierten sich die experimentell untersuchbaren gesättigten Haufwerke auf welche, die ein schwer-fließendes Materialverhalten aufwiesen. Auftretende Scherverdichtung erschwerte weiterhin die Charakterisierungsversuche. Trotzdem konnten sehr wichtige Erkenntnisse in Bezug auf den Bau einer modifizierten Scherzelle gewonnen werden, um das Materialverhalten von leicht-fließenden Haufwerken in Zukunft charakterisieren zu können.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema vom 11/2014 bis 10/2016 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (Straße am Forum 8, 76131 Karlsruhe, Tel. 0721 / 608-42404) unter der Leitung von Prof. Dr. Hermann Nirschl (Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dr. Hermann Nirschl). 

 

 

 

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BMWi-Logo Das IGF-Vorhaben Nr. 18461 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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