Analysis and simulation of the deformation behavior at quasi-static compressive stressing of bonded model pellets

Abstract

The main objective of this thesis is to experimentally investigate and simulate the influence of pelletising process parameters on the compression behaviour of model-pellets with different structures, sizes and shapes. Pelletising is applied in many industry branches for improving the flow and dosage behaviour and for regulating the bulk density of various materials. Its wide use creates the need to investigate the pellets and their properties in depth. In order to gain better understanding about pellet properties and the behaviour of pellets under loading, model pellets were produced in a laboratory pelletizing plate. The primary particles used were aluminium oxide (γ-Al2O3) and zeolite 4A granules of various sizes. Their properties are well known and can be taken as a reference. Water solution of hydroxypropylmethyl cellulose (HPMC) having various concentrations was used as a binder. During production, the process parameters of rotation speed, process duration and binder content were varied in order to analyze their influence on the properties of the pellets produced. Upon completing the manufacturing process, the model pellets were allowed to dry in atmospheric conditions. The pellets were divided into two fractions - tetrahedra (regular) and blackberry aggregates (irregular). The two fractions were studied separately to investigate the influence of the structure. Properties such as particle size distribution, density and porosity, internal spatial structure and behaviour of the pellets under load were examined in detail. The results obtained were further used for carrying out DEM simulations of the fracturing process during loading of the pellets. Tomographic data for primary particle number and spatial coordinates allow for a very accurate replication of the pellets in the simulation software. Virtual compression tests were performed on the simulated pellets and the results were compared with the experimental data. Pellet characterization has shown that the process parameters are of decisive importance for the formation and shape of the pellets. The detailed tomographic analysis has though proven that the process parameters influence only the binder distribution, not the arrangement and structure of the pellets. The experimental compression tests could be simulated using DEM and the results have been compared. For some of the simulations there is no possibility to realistically represent the solid bridges with their defects and micro-porosity in the DEM tool, so that the results deviate. The replication of experiments by means of DEM simulations is not possible in these cases.

Das Hauptziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist die experimentelle Untersuchung und nummerische Simulation des Einflusses von Prozessparametern beim Pelletieren auf das Bruchverhalten von Modellpellets unterschiedlicher Strukturen, Größen und Formen. Pelletieren wird in vielen Industrien zur Verbesserung des Fließ- und Dosierverhaltens und zur Regulierung der Schüttdichte verschiedener Materialien eingesetzt. Seine breite Verwendung macht es nötig, die Pellets und ihre Eigenschaften im Detail zu untersuchen. Um bessere Kenntnisse über die Eigenschaften und das Verhalten von Pellets beim Belasten zu gewinnen, wurden Modellpellets in einem Labor-Pelletierteller hergestellt. Die Primärpartikel waren Granulate verschiedener Größe aus Aluminiumoxid (γ-Al2O3) und Zeolith 4A. Ihre Eigenschaften sind bekannt und können als Referenz genommen werden. Als Bindemittel wurden wassrige Lösungen von Hydroxypropyl-methylcellulose (HPMC) mit verschiedenen Konzentrationen verwendet. Bei der Herstellung wurden die Prozessparameter Rotationsgeschwindigkeit, Prozesszeit und Bindemittelanteil variiert, um ihren Einfluss auf die Eigenschaften der erzeugten Pellets zu analysieren. Nach der Herstellung wurden die Modellpellets bei atmosphärischen Bedingungen getrocknet. Die Pellets wurden in zwei Fraktionen geteilt – Tetraeder (regulärförmig) und brombeerförmig (irregulär). Die beiden Fraktionen wurden separat untersucht, um den Einfluss der Pelletform zu erschließen. Eigenschaften wie Partikelgrößenverteilung, Dichte und Porosität, innere räumliche Struktur und das Verhalten unter Belastung wurden eingehend untersucht. Charakterisierungsergebnisse wurden für die Durchführung von DEM Simulationen des Bruchprozesses der Pellets verwendet. Tomographische Daten zur Anzahl und zu den räumlichen Koordinaten der Primärpartikel, ermöglichen eine sehr genaue Nachbildung der Pellets in der Simulationssoftware. Mit den simulierten Pellets wurden Kompressionstests durchgeführt, und die Ergebnisse wurden mit den experimentellen Daten verglichen. Die Charakterisierung hat gezeigt, dass die Prozessparameter bei Herstellung von entscheidender Bedeutung für die Formgebung und die Eigenschaften der Pellets sind. Die detaillierte tomographische Analyse hat aber deutlich gemacht, dass der Prozessparametereinfluß sich nur auf die Bindemittelverteilung bezieht, nicht jedoch auf Anordnugung und Aufbau eines Pellets. Die experimentellen Kompressionstests konnten mittels DEM nachgebildet und die Ergebnisse verglichen werden. Allerdings führt die fehlende Möglichkeit, die Feststoffbrücken mit ihren Defekten und Mikro-Porosität in der DEM realisitsch darzustellen, mitunter zu Abweichungnen vom Experiment. Die Nachstellung der Druckversuche mittels DEM ist in solchen Fällen nicht möglich.