Granulatmaterialien - Anwendungs- und Projektbeispiele

Granulate und deren Verarbeitungsprozesse haben eine hohe wirtschaftliche Bedeutung und sind gleichzeitig ein spannendes Forschungsfeld innerhalb der Simulation komplexer Fluide. In gemeinsamen Entwicklungsvorhaben mit Industriepartnern hat sich gezeigt, dass die Charakterisierung der granularen Materialien ein entscheidender Baustein für prädiktive Simulationen ist. Im Folgenden finden Sie Projektbeispiele zu den unterschiedlichsten Anwendungen:

Auslegung granularer Produkte und Prozesse mit GRAIN

Simulation von Mischvorgängen und -geräten

Die Simulation von Mixern stellt die einzigartige Herausforderung dar, granulare Strömungen und sich rasant bewegende Mischgeräte zu verbinden, die enorme Scherkräfte in einem Feststoff erzeugen.

Das GRAIN Softwaremodul ist in der Lage, solche Prozesse zu simulieren, wobei es realistische Rotationsgeschwindigkeiten und Materialeigenschaften benutzt.

 

Projektbeispiel mit EIRICH

Projektpartner: Maschinenfabrik Gustav Eirich GmbH & Co KG

 

Dienstleistungen:

  • Räumlich aufgelöste Informationen für lokale
    • Dichte
    • Geschwindigkeit
    • Schergefälle
    • Druck
    • Belastung
  • Virtuelle Tests für
    • das Design der Mischmaschine
    • Hochskalierung des Mixers
    • Verfahrensbedingungen
Simulation von Mischvorgängen und -geräten
© Foto ITWM

Simulation eines Mischvorgangs.

Simulation von Rührwerkskugelmühlen

Mühlen spielen in Verarbeitungsprozessen granularer Materialien eine entscheidende Rolle. Nach mehreren Jahren Forschungsarbeit auf dem Gebiet der Simulation granularer Medien sind die einphasigen granularen Strömungsprozesse – oder solche, die vereinfacht als einphasig betrachtet werden können – simulativ beherrschbar. Die nächste Herausforderung ist nun die Simulation mehrphasiger Strömungen mit zumindest einer granularen oder pulvrigen Phase.

Unter diesen stellt die Simulation der Strömung in Rührwerkskugelmühlen eine besondere Herausforderung dar. Hier verbinden sich mehrere aktuelle Forschungsgebiete der Berechnung komplexer Strömungen innerhalb einer Simulation:

  • Zweiphasige Suspensionsströmung von Pulver und Wasser, modelliert als nicht-newtonsches Fluid,
  • eine dritte Phase der als granular modellierten Kugeln, schnell bewegte Bauteile
  • sowie eine vierte Phase der umschließenden Luft.

Die damit auftretenden Modellierungs- und numerischen Schwierigkeiten sind immens. Die Interaktion von vier räumlich und zeitlich voll aufgelösten Phasen muss sowohl untereinander als auch mit den sich schnell bewegenden Bauteilen modelliert werden. Den daraus resultierenden phasenabhängigen Anforderungen an die numerischen Verfahren wurde mittels einer erweiterten Zeitschrittsteuerung begegnet.

Erstmals wurden hier die Module FLUID, also mehrphasige, nicht-newtonsche Modellierung zusammen mit einer dritten newtonischen Phase und GRAIN – für die Simulation der Rührkugeln in einer solch komplexen Fragestellung – kombiniert. In Zusammenarbeit mit dem Projektpartner wurden die daraus resultierenden Simulationsergebnisse
erfolgreich mit vorhandenen Messungen abgeglichen.

 

Projektbeispiel mit KRONOS:

Projektpartner: KRONOS INTERNATIONAL, INC.

Aufgabe: Simulation des Flusses einer TiO2-Susupension durch granulare Rührwerkskugeln in einer vertikal rotierenden Scheibenmühle.

 

Dienstleistungen

  • Dynamische Berechnung lokaler Größen
    • Dichteverteilung der Suspension und Rührwerkskugeln
    • Geschwindigkeitsfelder
    • Druckverteilung
    • Scherkräfte und Verlustleistung in allen Phasen
  • Virtuelle Tests der Leistung der Mühle im Bezug auf:
    • Lokale Belastung und lokale Verlustleistung um die Mahlleistung zu charakterisieren
    • Lokale Scherkräfte an den Tellern und Zylinderwänden um den abrasiven Verschleiß zu verdeutlichen
Simulation Mühle
© Foto ITWM

Die Mühle wird vollständig in Ort und Zeit aufgelöst simuliert, sodass das Strömungsverhalten aller Phasen in der gesamten Mühle sowie lokal um das Rührwerk evaluiert werden kann.

Zoom Simulation Mühle
© Foto ITWM

Die Pfeile zeigen die Strömung der TiO2-Suspension, während der Falschfarbenplot die Granulatdichte zeigt.

KRONOS-Rührwerkskugelmühle
© Foto KRONOS

KRONOS-Rührwerkskugelmühle

Simulation von Silos

Basierend auf unserem einzigartigen Modell für Strömungen granularer Füllmaterialien ermöglichen wir innerhalb unserer GRAIN Software die Simulation des Materialeinflusses, der Installationen, Einbauten und des Silodesigns selbst auf das Strömungsfeld in einem Silo.

Insbesondere ist GRAIN in der Lage, silospezifisches Verhalten wie Kernschießen zu simulieren und die Verweilzeit eines Silos zu berechnen.

Im Gegensatz zu DEM Simlutionen sind wir in der Lage Silos mit Industriegröße und realistischer Partikelgröße zu berücksichtigen, und erhalten dabei Berechnungszeiten, die mit komplexen CFD Simulationen vergleichbar sind.

 

Projektbeispiele mit der Universität Kaiserslautern

Projektpartner: Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik (MVT)

Aufgabe: Simulation der Verweilzeit eines Wiederverwertungsprozesses in einem Silo mit konischem Einbau.

 

Dienstleistungen:

  • 3d Simulation mit räumlicher Auflösung von Strömen im Silo und Silomixern mit lokalen Informationen über:
    • Dichte
    • Geschwindigkeit
    • Druck
    • Belastung
  • Virtuelle Tests und Auswertung von
    • Verweilzeitverteilung
    • Strömungsbild
    • Fließpfad für beliebig gesetzte Sucher und Marker

 

Strömungsbild innerhalb eines Silos
© Foto ITWM

Strömungsbild innerhalb eines Silos.

Verweilzeit
© Foto ITWM

Verteilung der Verweilzeit.

Lufteinlassgeschwindigkeit
© Foto ITWM

Zeitlicher Verlauf des Granulats im Rohrquerschnitt in einer Simulation mit CoRheoS GRAIN.

Pneumatischer Transport - granulares Material wird mithilfe einer Gasströmung durch ein Rohrsystem transportiert - ist eine oft verwendete und besonders produktschonende Art des Transports. Er bedarf jedoch einer vorsichtigen und materialspezifischen Auslegung, da unter Umständen eine Blockade des Rohres durch Verstopfung oder ungünstige Strömungsverhältnisse drohen.

Mit dem Softwaremodul GRAIN ist zur Auslegungsunterstützung erstmals ein ganzheitlicher Ansatz in Entwicklung, der den Ingenieur bei einer material- und systemsensitiven Einstellung der Strömungsrandbedingungen(wie z.B. Granulatmenge oder die Gasgeschwindigkeit) unterstützen soll.

 

Projektbeispiel TU München, Lehrstuhl für Verfahrenstechnik disperser Systeme

Ergebnisse:
Räumlich aufgelöste Informationen für

  • lokale Gas- und Granulatgeschwindigkeit
  • Druckabfall der Gasphase
  • lokale Porosität des granularen Materials
  • Granulatmassenstrom