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Entwicklung und Untersuchung eines Anströmbodens mit variablen Luftspalten hinsichtlich des Fluidisierverhaltens von zur Kohäsion neigender Produkte in Wirbelschichten

 
: Kochsiek, J.-H.
: Do, V.T.; Krüger, B.

Bochum, 2010, VII, 78, VIII pp.
Bochum, Hochschule, Dipl.-Arb., 2010
German
Thesis
Fraunhofer UMSICHT Oberhausen ()
fluidised bed; particle structure; cohesion; flow behaviour; plant design

Abstract
In vielen technischen Bereichen ist es zur Herstellung eines Produktes notwendig Feststoffe (Schüttgüter) mit Gasen, Flüssigkeiten oder anderen Feststoffen in Kontakt zu bringen. Ein effektives Verfahren dies zu ermöglichen bietet die Wirbelschicht. In einer Wirbelschicht wird das Schüttgut von unten mit einem Fluid (Gas oder Flüssigkeit) durchströmt. Dabei wird der Feststoff so weit aufgelockert, dass die einzelnen Partikel nicht mehr aneinander haften und von dem Fluid in der Schwebe gehalten werden. In diesem Zustand hat der Feststoff flüssigkeitsähnliche Eigenschaften und das Schüttgut wird gut durchmischt. Man spricht daher auch von einem fluidisierten Zustand.
In diesem Zustand findet ein reger Kontakt zwischen Fluid und Feststoff sowie zwischen den Partikeln untereinander statt. Die Intensivierung des Kontakts wirkt sich in vielen verfahrenstechnischen Prozessen vorteilhaft auf einen verstärkten Wärme-, Stoff- und Impulsaustausch aus. Diese Vorteile haben die Wirbelschichttechnik zu einem wichtigen, in vielen Bereichen eingesetzten Zweig der Verfahrenstechnik gemacht. So macht man sich zum Beispiel bei Trocknungs-, Röst- und Feuerungsprozessen den hohen Wärmeaustausch zu Nutze. Der intensive Stoffaustausch verbessert Prozesse mit chemischen und katalytischen Reaktionen. Die Wirbelschicht kommt ebenso aufgrund der guten Stoff- und Impulsaustauscheigenschaften bei der Granulation, Agglomeration und beim Coating zum Einsatz. Außerdem findet eine gleichmäßige Durchmischung des Feststoffes statt, wodurch eine homogen verteilte Intensität des jeweiligen Prozesses gegeben ist.
In den meisten Fällen wird die Wirbelschicht mit Pulver oder granulatförmigen Stoffen eingesetzt, also Feststoffen deren Partikelgeometrien der Kugelform ähnlich sind. Das Verhalten derartiger kugelähnlicher Stoffe in Wirbelschichten wurde in zahlreichen Versuchen hinreichend untersucht und kann daher durch die exakte geometrische bzw. mathematische Beschreibung der Partikel berechnet werden. Weicht die Form der Partikel eines Feststoffs stark von der Kugelform ab, so ist eine Fluidisation über eine herkömmliche Anströmung nicht mehr ohne weiteres möglich. Aufgrund der positiven Eigenschaften von Wirbelschichten besteht ein Interesse daran, auch Schüttgüter zu fluidisieren, deren Partikelgeometrien stark von der Kugelform abweichen. Flockenartige Partikel verhaken sich zum Beispiel durch ihre Form und erschweren dadurch die Fluidisation. Häufig stellt sich dabei ein Zustand ein, bei dem die Luft durch mehrere Kanäle (Channeling Bed) durch die Schüttung strömt. Der einfachste Weg, diese Kanäle wieder aufzubrechen, ist eine Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit. Dies bedeutet zum einen ein Mehraufwand an Energie, zum anderen führt dies nicht zwangsläufig zur Fluidisierung, sondern eher zum Austrag der Partikel aus der Apparatur.
Das Wirbelschichtverhalten bei gezielter Anströmung der Partikel in Abhängigkeit von der Partikelform ist bisher nur unzureichend untersucht worden. Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist es, einen neuartigen Anströmboden für Wirbelschichten zu entwickeln, mit dem das angeströmte Schüttgut aus flocken- bzw. schnipselförmigen (weitestgehend kohäsiven) Partikeln in den Zustand der Wirbelschicht überführt werden kann.
Einsatzmöglichkeiten dieses Anströmbodens für Wirbelschichten sind vorzugsweise Prozesse zum Mischen oder Gefriertrocknen in der Nahrungsmittelindustrie. Durch die zusätzlich eingebrachte Rotation in das Wirbelbett werden die positiven Effekte der Wirbelschicht zusätzlich verstärkt.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-165378.html