Influence of interparticle interactions on the performance of cyclone separators

Abstract

Zur weiteren Verbesserung des Verständnisses der Partikeltrennung in Gaszyklonen, der Agglomeration und dem Agglomeratbruch werden in dieser Arbeit numerische Berechnungen basierend auf dem gekoppelten Euler-Lagrange Verfahren mit dem Open-Source CFD Programm OpenFOAM durchgeführt. Für die Darstellung und Problemlösung der stark anisotrop-turbulente n Struktur der Wirbelströmung in einem Gaszyklon wird LES (Large Eddy Simulation) in Kombination mit einer dynamischen Smagorinsky sub-grid-scale (SGS) genutzt. Die Auswirkungen der Partikel-Massenbeladung auf die Gasphase werden unter Hinzunahme des Effekts der Zweiwegekopplung (d. h. der Einfluss der Partikel auf das Fluidströmungsfeld) berücksichtigt. Partikelagglomeration und Agglomerataufbruch werden weiterhin auf der Basis des stochastischen Partikel-Partikel -Kollisionsmodell modelliert. In dieser Hinsicht ist der Effekt der Partikeldispersion durch die SGS-Turbulenz und die Wandrauigkeit bei Partikel-Wand-Kollisionen zu berücksichtigen. Zur Beschreibung des Agglomeration-Phänomens werden zwei verschiedene Ansätze untersucht. Der erste Ansatz umfasst das das sogenannte Kugelmodell, welches davon ausgeht, dass der Agglomeratdurchmesser aus der Summe des Volumens der beteiligten Primärpartikel (Volumenäquivalenter Kugeldurchmesser) berechnet wird. Als zweite Herangehensweise dient das sogenannte "History Model". Dieses berücksichtigt die Agglomeratporosität, die zur Berechnung eines geeigneteren hydrodynamischen Durchmessers verwendet wird. Daraus resultiert eine bessere Vorhersagbarkeit der Bewegung neu gebildeter Agglomerate. Nach der Validierung der Modelle werden vier Fallszenarien evaluiert, um verschiedene Phänomene in Gaszyklonen zu untersuchen. Das erste Fallszenario entspricht der Gasphasenlösung, in der die Methoden zur numerischen Gittererzeugung, Turbulenzmodellierung und deren Validierung mit experimentellen Daten vorgestellt werden. Fallszenario Nummer zwei führt die Partikelverfolgung und relevante Ansätze ein, die für eine gute Darstellung der Partikelabscheidung erforderlich sind. In einem dritten Szenario stellt ein hypothetischer Studienfall dar, wie sich die Auswirkungen von Kollisionen zwischen Partikeln und Agglomeration auf die Zyklonleistung darstellen. Abschließend werden im vierten Fallszenario alle vorherigen Analysen vereint, indem ein Zyklon mit hoher Massenbelastung analysiert wird. Zusammenfassend lässt sich die Bedeutung der untersuchten Phänomene feststellen, die aus den Ergebnissen der Fallszenarien resultiert und eine große Übereinstimmung mit den experimentellen Daten aufzeigt.

For further improving the understanding of particle separation in gas cyclones including the effect of inter-particle collision, agglomeration and agglomerate breakage, numerical calculations based on the coupled Euler/Lagrange approach are conducted using the open source CFD code OpenFOAM. To solve the highly anisotropic turbulent structure of the swirl flow inside a cyclone separator, LES (large eddy simulations) combined with a dynamic Smagorinsky sub-grid-scale (SGS) are considered. To respect the effects of particle mass loading on the continuous phase, two-way coupling (i.e. the influence of the particles on the fluid flow field) was accounted for in the momentum equations. Solid particle agglomeration and agglomerate breakage are modelled based on the stochastic inter-particle collision model. In that respect, it is also important to consider the effect of particle dispersion by SGS turbulence and wall roughness in particle-wall collisions which eventually may also modify the particle tracking. For describing the agglomeration phenomenon, two different approaches are studied. The first one, the so-called sphere model, considers that the agglomerate diameter is calculated from the sum of the volume of the involved primary particles (volume equivalent diameter). In the second approach, the agglomeration history model allows the calculation of the agglomerate porosity, which is used to calculate a more suitable hydrodynamic diameter and therefore allows a better prediction of the motion of newly formed agglomerates. To validate the implemented models in OpenFOAM, a study based on pneumatic conveying systems is proposed. With the models validated, four main test cases are proposed to investigate different phenomena in cyclone separators. The first test case corresponds to the continuous phase solution, where the methodologies for grid generation, turbulence modelling and validation with experimental data are presented. The second one introduces the particle tracking and the relevant approaches needed for a good representation of the collection efficiency. The third test case presents a hypothetical study case considering the effect of inter-particle collisions and agglomeration on cyclone performance, where the importance of these elementary processes consideration is expressed. Lastly, the final test case covers all previous analysis by analysing a cyclone with high mass loading, where the importance of the studied phenomena is clear due to the observed improvement of the agreement with experimental data. In summary, the significance of the investigated phenomena can be determined, which results from the good agreement with the experimental data.