Experimental and simulation studies of mesoscale phenomena in gas-solid fluidized beds PTV and CFD-DEM

Abstract

Particle formation processes in spray fluidized beds are widely applied in chemical in-dustries to produce particulate materials with designed properties. These processes are very complex by the presence of multi-phase transport phenomena at multiscales, and by the coupling of an array of sub-processes (spraying, wetting, drying and solidifying). The understanding of mesoscale phenomena between the individual particle scale and the process unit is critical to achieving efficient operation and improved particle product quality. In this thesis, the experimental technique of particle tracking velocimetry (PTV) and the numerical approach that combines computational fluid dynamics with the discrete element method (CFD-DEM) are used to investigate mesoscale particle dynamics re-lated to particle formation processes in gas-solid fluidized beds. Motion of non-spherical particles is conveniently studied by DEM. The rebound be-havior of irregularly shaped particles is predicted by DEM simulations using the multi-sphere and superquadric models, in terms of the distributions of total and normal coefficients of restitution and corresponding relationships with the rotation speed after collision and the absolute difference of incidence angle and rebound angle. Compared with PTV measurements, the multi-sphere model well predicts the macroscopic particle-wall collision behavior of irregular non-convex particles. In pseudo-2D fluidized beds, PTV is used to measure dynamics of mono-disperse and poly-disperse particles by means of new methods for particle segmentation and parti-cle tracking. Using synthetic images generated from CFD-DEM simulation, the entire PTV methodology can be comprehensively verified with respect to segmentation bias, segmentation ratio, recovery ratio and error ratio. The collision event is determined by the variation of measured trajectories of individual particles. Compared to the theo-retical collision model in the kinetic theory of granular flow, the experimental collision frequency tends to be relatively constant or even decrease after exceeding a critical solid volume fraction. The average collision velocity correlates linearly with the average square root of particle granular temperature. The mixing degree of differently sized par-ticles is measured by color-PTV. Additionally, CFD-DEM simulations are performed according to the PTV measurements in pseudo-2D fluidized beds. The simulation results are in agreement with measurements in terms of volumetric flux of particles, granular temperature, particle collision velocity and mixing degree. The correction for the size dispersity effect in the drag model is essential to improve the accuracy of CFD-DEM simulations of poly-disperse particle systems. CFD-DEM simulations are applied to investigate the particle circulation and residence times in different zones in a Wurster fluidized bed. Simulated ideal cycle times and residence times are in good agreement to the available positron emission particle track-ing measurement data. Moreover, a coupled CFD-DEM and Monte Carlo approach is developed to investigate inter- and intra-particle coating uniformity in the Wurster fluidized bed. On the basis of the spherical centroidal Voronoi tessellation, the Monte Carlo approach can model the deposition and splashing of spray droplets on the surface of individual particles. The intra-particle layer thickness distributions predicted by the simulation are in good agreement with X-ray micro-computed tomography measure-ments.

Partikelbildungsprozesse in Sprühwirbelbetten werden in der chemischen Industrie häufig angewendet, um partikuläre Materialien mit definierten Eigenschaften herzustellen. Diese Prozesse sind sehr komplex durch das Vorhandensein von Mehrphasentransportvorgängen auf mehreren Skalen und die Kopplung einer Reihe von Teilprozessen (Sprühen, Benetzen, Trocknen und Erstarren). Das Verständnis mesoskaliger Phänomene zwischen der Einzelpartikelebene und der Prozesseinheit ist entscheidend für einen effizienten Betrieb und eine verbesserte Produktqualität. In diese Arbeit werden die "Partikel-Tracking-Velocimetry“ (PTV) und ein gekoppelter Ansatz von Methoden der numerischen Strüomungsmechanik und der diskreten Elementmethode (CFD-DEM) verwendet, um die mesoskalige Partikeldynamik bei Partikelbildungsprozessen in Gas-Feststoff-Wirbelschichten zu untersuchen. Das Rückprallverhalten unregelmäßig geformter Partikel wird durch DEM-Simulationen unter Verwendung der Multi-Sphere- und Superquadric-Modelle vorhergesagt. Das untersuchte Verhalten umfasst die Verteilung der Gesamt- und Normalwerte des Restitutionskoeffizienten sowie die entsprechenden Beziehungen zur Rotationsgeschwindigkeit nach der Kollision und zur absoluten Differenz von Einfallswinkel und Rückprallwinkel. Im Vergleich zu PTV-Messungen sagt das Mehrkugelmodell das makroskopische Kollisionsverhalten von Partikelwänden unregelmäßiger, nichtkonvexer Partikel gut voraus. In Pseudo-2D-Wirbelschichten wird PTV eingesetzt, um die Dynamik von monodispersen und polydispersen Partikeln mithilfe neuer Methoden zur Partikelsegmentierung und Partikelverfolgung zu erfassen. Unter Verwendung synthetischer Bilder, die in CFD-DEM-Simulationen erzeugt wurden, kann die gesamte PTV-Methodik hinsichtlich Segmentierungsverzerrung, Segmentierungsverhältnis, Wiederherstellungsverhältnis und Fehlerverhältnis umfassend verifiziert werden. Das Kollisionsereignis wird durch die Variation der gemessenen Trajektorien individueller Partikeln bestimmt. Im Vergleich zum theoretischen Kollisionsmodell in der kinetischen Theorie des granularer Materialien (KTGF) ist die experimentelle Kollisionsfrequenz nach überschreiten eines kritischen Feststoffvolumenanteils relativ konstant oder nimmt sogar ab. Die mittlere Kollisionsgeschwindigkeit korreliert linear mit der mittleren Quadratwurzel der granularen Partikeltemperatur. Der Mischungsgrad von Partikeln unterschiedlicher Größe wird durch Farb-PTV gemessen. Zusätzlich werden CFD-DEM-Simulationen gemäß den PTV-Messungen in Pseudo-2D-Wirbelschichten durchgeführt. Die Simulationsergebnisse stimmen mit Messungen hinsichtlich des Volumenflusses der Partikel, der granularen Temperatur, der Partikelkollisionsgeschwindigkeit und des Mischungsgrades überein. Die Korrektur des Größendispersitätseffekts im Widerstandsmodell ist wichtig, um die Genauigkeit von CFD-DEM-Simulationen polydisperser Partikelsysteme zu verbessern. CFD-DEM-Simulationen werden eingesetzt, um die Partikelzirkulation und Verweilzeiten in verschiedenen Zonen in einem Wurster-Apparat zu untersuchen. Die simulierten idealen Zykluszeiten und Verweilzeiten stimmen gut mit den verfügbaren Messdaten aus der Positronenemissionspartikelverfolgung überein. Darüuber hinaus wird ein gekoppelter CFD-DEM- und Monte-Carlo-Ansatz entwickelt, um die Gleichmäßigkeit der Beschichtung zwischen und innerhalb von Partikeln im Wurster-Prozess zu untersuchen. Auf der Grundlage der sphärischen Schwerpunkt-Voronoi-Tessellation kann der Monte-Carlo-Ansatz die Ablagerung und das Ausbreitung von Sprüuhtrüopfchen auf der Oberfläche einzelner Partikel modellieren. Die durch die Simulation vorhergesagten Schichtdickenverteilungen innerhalb der Partikel stimmen gut mit Daten aus Röntgenmikrocomputertomographie-Messungen überein.