Experimental and Theoretical Research on Resuspension Processes and Non-Uniform Flow in Disk Stack Separators

Die konstruktive Auslegung sowie die Vorhersage der Abscheidegüte von Tellerseparatoren basiert noch immer zu großen Teilen auf der im Jahre 1949 zuerst publizierten Klärflächentheorie. Die Theorie hat sich auf Grund ihrer Schlichtheit zu einem Industriestandard entwickelt, obwohl viele vereinfachende Annahmen getroffen werden, welche wiederum zu einer im Detail unzureichenden Übereinstimmung mit dem Experiment führen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung eines analytischen Modells mit geschlossener Lösung. Dafür werden die Annahmen der gleichmäßigen Verteilung der Strömung über die Klärfläche und des ungehinderten Abgleitens der Feststoffphase an der Telleraußenkante (Resuspensionseffekt) fallengelassen. Zusätzlich werden die ebenfalls abscheidewirksamen Komponenten im Verteiler und im Feststoffraum mit einbezogen. Das Modell wird durch umfangreiche Versuchsreihen an Separatoren verschiedener Größen bestätigt, in denen wesentliche Geometrieparameter und Partikelsysteme für den Betrieb im Gleich- und Gegenstromprinzip variiert werden. Die Ergebnisse werden universell für eine Kombination dimensionsloser Kennzahlen aufgetragen und zeigen gute Übereinstimmung für verschiedene Separatorengrößen. Darüber hinaus werden die Makroprozesse während der Abscheidung in einem teilweise durchsichtigen Separatorenmodell mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet und für verschiedene Geometrien ausgewertet. Es kann bestätigt werden, dass die zuströmende Suspension in räumlicher und zeitlicher Dimension ungleichmäßig verteilt und die zur Verfügung stehende Klärfläche dadurch in nicht optimaler Weise genutzt wird. Darüber hinaus kann ein strähnen- bzw. lawinenartiges Abrutschen beobachtet werden.

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Tellerseparatoren werden seit dem entsprechenden Patent des Ingenieurs Clemens Freiherr von Bechtolsheim im Jahre 1888 in einer Vielzahl von Industrieanwendungen für Trennaufgaben eingesetzt. Die konstruktive Auslegung sowie die Vorhersage der Abscheidegüte von Tellerseparatoren basiert noch immer zu großen Teilen auf der im Jahre 1949 zuerst publizierten Klärflächentheorie, kurz ? Theorie genannt. Die Theorie hat sich auf Grund ihrer Schlichtheit zu einem Industriestandard entwickelt, obwohl viele vereinfachende Annahmen getroffen werden, welche wiederum zu einer im Detail unzureichenden Übereinstimmung mit dem Experiment führen. Da numerische Methoden wie die computergestützte Strömungssimulation (CFD) auf Grund der geometrischen Ausgestaltung der Separationsräume nur mit Modellreduktionen angewendet werden können, liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Entwicklung eines analytischen Modells mit geschlossener Lösung. Dafür werden die Annahmen der gleichmäßigen Verteilung der Strömung über die Klärfläche und des ungehinderten Abgleitens der Feststoffphase an der Telleraußenkante (Resuspensionseffekt) fallengelassen. Zusätzlich werden die ebenfalls abscheidewirksamen Komponenten im Verteiler und im Feststoffraum mit einbezogen. Das Modell wird durch umfangreiche Versuchsreihen an Separatoren verschiedener Größen bestätigt, in denen wesentliche Geometrieparameter und Partikelsysteme für den Betrieb im Gleich- und Gegenstromprinzip variiert werden. Die Ergebnisse werden universell für eine Kombination dimensionsloser Kennzahlen aufgetragen und zeigen gute Übereinstimmung für verschiedene Separatorengrößen. Darüber hinaus werden die Makroprozesse während der Abscheidung in einem teilweise durchsichtigen Separatorenmodell mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet und für verschiedene Geometrien ausgewertet. Es kann bestätigt werden, dass die zuströmende Suspension in räumlicher und zeitlicher Dimension ungleichmäßig verteilt und die zur Verfügung stehende Klärfläche dadurch in nicht optimaler Weise genutzt wird. Neben dem Einsatz von Rippen lässt sich die Verteilung konstruktiv mit durchströmten sowie nicht durchströmten Bohrungen beeinflussen. Der Transport der Feststoffphase entlang der Unterseite der Tellerfläche sowie vom Ausströmen aus dem Tellerpaket in den Feststoffraum findet in ähnlicher Weise räumlich und zeitlich versetzt zur zuströmenden Suspension statt. Dabei unterscheidet sich das Verhalten der eingesetzten Partikelsysteme in der Ausbildung des Transportvorgangs, welcher zum einen eher von strähnen- zum anderen eher von lawinenartigen Abgängen geprägt ist. Generell entschärft die zeitliche und räumliche Verteilung den Konflikt zwischen zuströmender Suspension und abrutschendem Feststoff, sodass davon auszugehen ist, dass Resuspension eine weit weniger signifikante Rolle beim Abscheidevorgang einnimmt als zunächst angenommen.