Entwicklung einer neuartigen Austrageinrichtung zur Steuerung der Verweilzeitverteilung in Schüttgutapparaten

Abstract

Austrageinrichtungen sind das Kernstück der Behälterentleerung. Mit deren Hilfe lässt sich die Produktverweilzeit in Apparaten beispielsweise für die thermische Schüttgutbehandlung steuern. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neuartige, ganzflächig wirkende Austrageinrichtung entwickelt und im halbtechnischen Maßstab praktisch erprobt. Der innovative Kern liegt im Arbeitsprinzip des Lösungsansatzes, nach dem sich mehrere, parallel liegende Öffnungsschlitze unabhängig voneinander freigeben lassen. Auf diese Weise kann der Austragsmassenstrom über dem Querschnitt der Austrageinrichtung örtlich und zeitlich variiert werden, wodurch die Verweilzeitverteilung im Schüttgutapparat beeinflusst wird. Im laufenden Schüttgutprozess kann damit künftig auf schwankende Prozessbedingungen reagiert und der Prozessverlauf optimiert werden. Mit Hilfe der Diskreten Elemente Methode (DEM) wurde das Wirkprinzip der neuartigen Austrageinrichtung mathematisch modelliert. Dazu wurde ein 2D-DEM Modell entwickelt, mit dem die Partikelbewegung im Schüttgutapparat und die resultierenden Verweilzeitverteilungen in Abhängigkeit von Betriebsparametern analysiert wurden. Zur praktischen Untersuchung der Partikelbewegung und der Verweilzeitverteilung wurde eine Versuchsanlage im halbtechnischen Maßstab aufgebaut. Für die experimentelle Verweilzeitanalyse wurde eine Tracermethode basierend auf dem Prinzip der Farbpartikelanalyse entwickelt. Um die gemessenen und mit Hilfe des DEM-Modells simulierten Verweilverteilungen zu analysieren und vergleichen zu können, kam das Dispersionsmodell zur Anwendung. Mit Hilfe des Modellparameters der Bodensteinzahl wurde die Arbeitsweise der neuartigen Austrageinrichtung quantitativ bewertet. Zur Vorausberechnung des kontinuierlichen Austragsmassenstroms aus dem Schüttgutbehälter mittels der neuartigen Austrageinrichtung wurde eine empirische Gleichung hergeleitet. Hierzu wurde der bekannte Ansatz des British Materials Handling Board designspezifisch erweitert. Die entwickelten Methoden und die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit bilden eine solide Grundlage für die Entwicklung des Designs und der Arbeitsweise ganzflächig wirkender Austrageinrichtungen. Mit Hilfe dieser neuartigen technischen Lösung können die Prozess- und Produktqualität von Schüttgutprozessen gesteigert werden.

Discharge devices belong to the core components in many bulk solids processes. They significantly affect process and product quality by influencing the bulk solids flow directed to the outlet and particularly the residence time distribution (RTD). In the present work, a novel discharge device was designed and was practically tested at a semi-technical scale. This device comprises a locking mechanism that can individually release separate flows over the width of any rectangular bin cross-section. Thus, the discharge mass flow rate can be varied locally and temporally over the entire cross-section of the discharge device to control the residence time distribution in the apparatus. During the bulk solids process, this may lead to a real-time control of fluctuating process conditions to optimize the process flow. With the help of the Discrete Element Method (DEM), the operating principle of the new discharge device was mathematically modelled. For this purpose, a 2D-DEM model was developed and used to analyse the particle motion in the apparatus and the resulting residence time distributions as a function of operating parameters. For practical investigation of the particle motion and the RTD, a test facility was set up on a semi-technical scale. For the experimental RTD analysis, a tracer method was developed based on the principle of colour particle analysis. In order to analyse and compare the measured residence time distributions with the DEM simulated distributions, the dispersion model was used. With the help of the model parameter Bodenstein number, the operation of the novel discharge device was quantitatively evaluated. An empirical equation was derived to predict the continuous discharge rate from the novel discharge device. For this purpose, the known approach of the British Materials Handling Board was extended in a design-specific manner. The methods developed and the results of the present work take up a solid basis for the development of the design and operation mode of discharge devices that work over the entire cross-section. With the help of this novel technical solution, the process and product quality of bulk material processes can be increased.