DEM-based triangulation pore network model for particle aggregates : drying and capillary forces

Abstract

Feststoffe werden in einer Vielzahl von Industrien verarbeitet. Die meisten Produkte haben partikuläre Form. Auslegung und Optimierung der jeweiligen Prozesse erfordern Verständnis über die zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge und die sich entwickelnden Produkteigenschaften. Das Entfernen von Flüssigkeit aus nassen granularen Produkten durch konvektives Trocknen ist ein wesentlicher und entscheidender Schritt in vielen Fertigungsverfahren. Dynamische Veränderungen an der räumlichen Verteilung der flüssigen Phase sind jedoch einer der Hauptgründe für die Schädigung von Partikelaggregaten während der Konvektionstrocknung, was sich auf die Qualität der Endprodukte auswirkt. Es wird ein dreidimensionales Triangulationsporennetzwerkmodell (TPNM) entwickelt, welches die zeitliche Verteilung der Flüssigphase im Hohlraum von Aggregaten aus kugelförmigen Primärpartikeln unter den Grenzbedingungen eines kapillardominierten Regimes gut simulieren kann. Die Aggregate werden mittels der diskrete Elemente Methode (DEM) numerisch erzeugt, wobei der komplementäre Hohlraum unter Verwendung der regulären Delaunay-Triangulation und ihrer dualen Voronoi-Tessellation in Poren und Hälse zerlegt wird. Eine modifizierte Version des klassischen Invasions-Perkolationsalgorithmus wird eingerichtet, um die bevorzugte Verdunstung der in den Poren eingeschlossenen Flüssigkeit zu beschreiben. Die aus TPNM-Trocknungssimulationen erhaltene Flüssigkeitsverteilung erfasst die Entwicklung gemessener Phasenmuster besser als es frühere Porennetzwerkmodelle vermögen. Lokale Kapillarkräfte, die sowohl durch den Flüssigkeitsdruck als auch durch die Oberflächenspannung entstehen, werden über die Zeit aus dem Füllzustand der Poren berechnet. Diese Kapillarkräfte sind die Eingabe für die Kopplungssimulation, die die Entwicklung der Flüssigkeitsverteilung mit daraus resultierenden trocknungsinduzierten Mikrorissen der festen Struktur verbindet. Solche Mikrorisse werden als Bruch von Bindungen zwischen festen Partikeln erfasst. Das vielseitige TPNM wird verwendet, um drei Sätze synthetischer Aggregate unterschiedlicher Partikelgrößendispersität (monodispers, bidispers, polydispers) bei zwei unterschiedlichen Aggregatgrößen systematisch zu untersuchen. Der Einfluss der Grenzwände auf die Flüssigphasenverteilung nimmt mit zunehmendem Aggregat- Partikel Größenverhältnis ab. Es gibt keine signifikanten Unterschiede in der Trocknungskinetik gleich großer Aggregate. Stets wird ein langer erster Trocknungsabschnitt beobachtet, welcher auf eine aggregatübergreifende Flüssigkeitskonnektivität zurückzuführen ist, die sich aus einer sehr breiten Verteilung des Kapillareintrittsradius der Porenhälse ergibt. Der Einfluss der Partikelgrößendispersität auf die Flüssigkeitsverteilung und die Trocknungskinetik ist für große Aggregate vernachlässigbar. Was die auf Primärpartikel ausgeübte Kapillarkraft betrifft, so hängt diese von drei Faktoren ab: Partikelgröße, Kapillardruck und Flüssigkeitsverteilung im lokalen Partikelmaßstab. Kleine monodisperse und bidisperse Aggregate unterscheiden sich in der Kapillarkraft stärker als große monodisperse und polydisperse Aggregate. Die Kapillarkraft in monodispersen Aggregaten skaliert nahezu direkt proportional mit der Partikelgröße. Unterschiedliche Feststoffgerüste ergeben zwar keine signifikanten Unterschiede in der Trocknungskinetik, verursachen aber bemerkenswerte Differenzen in der Kapillarkraft und der durch Trocknung verursachten Schädigung. Größere Partikel führen bei monodispersen Aggregaten zu weniger Schäden, Heterogenität in der Partikelgröße verursacht hingegen vermehrt Mikrorisse.

Solids processing is encountered across a wide range of industries, where the majority of manufactured products involve particulate forms. The design and optimization of respective industrial processes require the understanding of underlying physical phenomena and evolving product properties. Removing the liquid out of wet granular products by convective drying is an essential and crucial step in many manufacturing lines. Evolution of the spatial distribution of the liquid phase is, though, one of the main reasons for the damage of particle aggregates during convective drying, which affects the quality of final products. A three-dimensional triangulation pore network model (TPNM) is developed that can readily simulate liquid phase distribution over time in the void space of aggregates made of spherical primary particles in the limiting condition of capillary-dominated regime. The discrete element method (DEM) is used to numerically generate the aggregates, whereby the complementary void space is decomposed into pores and throats using the regular Delaunay triangulation and its dual Voronoi tessellation. A modified version of the classical invasion percolation algorithm is set up to describe the preferential evaporation of the liquid confined in the pores. The liquid phase distribution obtained from drying TPNM simulations captures the evolution of phase patterns measured experimentally better than the predictions of other pore network models. Local capillary forces caused by both fluid pressure and surface tension are computed over time from the filling state of pores. These capillary forces are the input for the coupling simulation that relates the evolution of liquid phase distribution with drying-induced micro-cracks of the solid structure, latter represented by the breakage of the bond between solid particles. The versatile TPNM is utilized to systematically investigate three sets of synthetic aggregates with different types of size distribution of the constituent particles (monodisperse, bidisperse and polydisperse) at two aggregate dimensions. The influence of the boundary walls on the liquid phase distribution decreases with increasing aggregate-to-particle size ratio. There is no significant difference in terms of drying kinetics for aggregates having the same aggregate dimension. Extended first drying period is observed for all investigated aggregates, which is interpreted by an aggregate-spanning liquid connectivity resulting from a broad distribution of throat entry capillary radius. The influence of particle size dispersity on liquid distribution and drying kinetics is found to be negligible at higher aggregate dimension. As to the capillary force exerted on solid primary particles, there are three factors having an influence on it: particle size, capillary pressure and local particle-scale liquid distribution. The difference in capillary force is higher between small mondisperse and bidisperse aggregates than between large mondisperse and polydisperse aggregates. Capillary force is found to scale up almost direct proportionally to particle size in monodisperse aggregates. Different solid skeletons do not result in significant difference in drying kinetics, but they do give rise to remarkable difference in capillary force and drying-induced damage. Bigger particles lead to less damage for the case of monodisperse aggregates. Higher heterogeneity in particle size results in more micro-cracks.