Chi Anh Ho

Modellierung der Partikelagglomeration im Rahmen des Euler/Lagrange-Verfahrens und Anwendung zur Berechnung der Staubabscheidung im Zyklon

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 27.01.2004

Abstract
Bei vielen Prozessen der Partikeltechnologie ist die Partikelagglomeration von großer Bedeutung. Durch die Agglomeration verändern sich die Partikelgröße und die Partikeleigenschaften. Zur Vorhersage solcher Veränderungen kann die numerische Methode wie das Euler/Lagrange-Verfahren eingesetzt werden. In dieser Arbeit wird der Anwendungsbereich des Euler/Lagrange-Verfahrens auf die Partikelagglomeration in turbulenten Strömungen erweitert. Die Modellierung der Partikelagglomeration umfasst die mathematische Beschreibung einzelner Teilphänomenen wie die der stochastischen Partikel-Partikel-Kollision, der Auftreffwahrscheinlichkeit zwischen Partikeln unterschiedlicher Größe sowie die Beschreibung der Partikelhaftung auf Grund der wirkenden van-der-Waals-Kraft. Der Agglomerationsvorgang von Mikropartikeln wurde in einem turbulenten Scherschichtkanal experimentell untersucht. Die Partikelgrößenverteilung verändert sich entlang des Kanals durch den Agglomerationsprozess. Die mit dem zweidimensionalen Euler/Lagrangeschen Verfahren berechnete Veränderung der Partikelgrößenverteilung durch Agglomeration wurden mit den Messergebnissen verglichen. Wurde die Auftreffwahrschein-lichkeit im Agglomerationsmodell berücksichtigt, konnte eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation gefunden werden. Für die Simulation der Partikelabscheidung in Zyklonen wurde das 3-D Euler/Lagrange-Verfahren mit dem oben beschriebenen Agglomerationsmodell eingesetzt. Der Einfluss der Agglomeration auf den Trenngradverlauf wurde analysiert. Die Agglomeration verbesserte die Abscheideleistung des Zyklons im Feinstkornbereich deutlich. Hohe Agglomerationsraten wurden durch breite Partikelgrößenverteilungen, hohen Volumendurchsatz sowie durch steigende Partikelbeladung begünstigt. Die Zugabe von großen Staubpartikeln im Rohgas erhöhte den Trenngrad für Feinstpartikeln.

The particle agglomeration are of great importance for a number of processes in the particle technologies. Due to the agglomeration of particles, the size and other properties of the dispersed particle phase will change. For the prediction of these changes the numerical method such as the Euler/Lagrangian approach is applicable. This work extend the application possibility of the Euler/Lagrangian approach for the prediction of the particle agglomeration in turbulent flows. The modelling of particle agglomeration encompasses the mathematical description of different separated physical phenomens, i.e. the stochastic inter-particle collision, the impact efficiency and the sticking of particle due to the attractions of the van-der-Waals forces. The process of agglomeration of microsize particles was studied experimentally in a shear layer channel. The change of particle size distribution along the channel was measured and compared with numerical results of two-dimensional Euler/Lagrangian calculations. Good aggrement for different velocity ratios in the shear layer channel was obtained by including the effect of collision efficiency into the agglomeration model. For the simulation of the particle separation in a cyclone, the 3-D Euler/Lagrangian approach including the agglomeration model has been applied. The influence of the agglomeration on the grade efficiency curve has been analyzed. The agglomeration obviously enhanced the separation efficiency for microsize particles. The agglomeration rate could be enhanced by broadening the particle size distribution or by increasing the flow rate or mass loading. Therefore, It could be shown that the addition of larger particles at the inlet enhances the separation efficiency for fine particles.

Keywords:
Gas-Feststoff-Strömungen, turbulente Strömungen, Partikelkollision, Partikelagglomeration, CFD, Euler/Lagrange-Verfahren, Partikelabscheidung, Zyklon

gas-solid flows, turbulent flows, particle collision, particle agglomeration, CFD, Euler/Lagrangian approach, particle separation, cyclone

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis (1-4)
1 Einleitung (5-7)
2 Stand des Wissens (8-29)
3 Das Euler/Lagrange-Verfahren für die Berechnung von Zweiphasenströmungen (30-59)
4 Numerische Untersuchung zur Modellierung der Auftreffwahrscheinlichkeit (60-68)
5 Numerische Simulation des Agglomerationsprozesses in einem isotropen, homogenen, turbulenten Feld (69-83)
6 Untersuchung der Partikelagglomeration in einer turbulenten Scherschicht (84-117)
7 Numerische Untersuchung des Einflusses der Agglomeration auf die Abscheideleistung von Gaszyklonen (118-139)
8 Zusammenfassung und Ausblick (140-146)
9 Symbolverzeichnis (147-150)
10 Literatur (151-157)