Untersuchung der Pfropfendynamik und -stabilität bei der vertikalen und horizontalen Pfropfenförderung

Abstract

Die Pfropfenförderung stellt ein produktschonendes Transportverfahren für granulare Medien dar, dass in der Industrie breite Verwendung findet. Eine zuverlässige Voraussage des Massentransportes bei der Auslegung industrieller Anlagen ist beim derzeitigen Wissensstand jedoch nicht möglich, da Grundkenntnisse über diesen Fördertyp fehlen. Ursache ist, dass sich die Untersuchung der bei der Pfropfenförderung mittels Druckluft durch Transportröhren getriebenen Granulatpfropfen sich weitestgehend experimentellen Messmethoden entzieht. Um Zugang zu den Prozessen während des Transportes zu erhalten, wurde für diese Arbeit die Förderung mittels einer Kombination aus Molekulardynamiksimulation und einem Löser für den Druckverlust am System auf dem Computer nachgebildet. Die Gültigkeit des Ansatzes wurde mittels experimenteller Messdaten an einer Anlage im Maßstab 1 zu 1 nachgewiesen. Es wurden sowohl Parameterstudien für die vertikale als auch die horizontale Förderung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen unter anderem, dass die Stabilität der Pfropfen durch entgegengesetzt auf den Pfropfen wirkende Kräfte bewirkt wird. Maßgeblich sind dabei die vorantreibende Druckluft und die auf den Pfropfen treffenden bremsenden Granulatteilchen zwischen den Pfropfen. Der Effekt ist unabhängig von der Transportrichtung. Unterschiede im Längenwachstum und der inneren Dynamik der Pfropfen zwischen vertikaler und horizontaler Förderung zeigen, dass eine einheitliche Abhandlung der Förderungsrichtungen bei der Auslegung von industriellen Anlagen nicht sinnvoll ist.

Plug conveying is a common method in industry to transport granular media in a gentle fashion. Using this method the grains are driven as dense accumulations, called plugs, through pipes by air pressure. Up to now a reliable prediction of the mass transport for applications is not possible, details on the phenomenon are unknown. The main reason for this state of research is, that only few measurement methods are available which do not interrupt the transport. Unfortunately these methods have a pure spacial resolution. To circumvent this, plug conveying was simulated on the computer using a combination of molecular dynamics and a solver for the air pressure field. The simulation was verified by comparison with experimental measurements. Parameter studies for both vertical and horizontal conveying were done. The results show, that the stability of the plugs occurs from directly opposed forces acting on the granulate within the plugs. Mainly the forward driving drag force of the gas and the retarding forces due to the grains colliding with the plug.