Fluid-Feststoff-Strömungen

Gegenstand dieses Buches sind feststoffbeladene Strömungen, d.h. solche deren spezielle Eigenarten dadurch entstehen, daß sie eine Vielzahl von Partikeln enthalten. Ausgangspunkt und in vielen Fällen Rückgrat der hier vorgestellten Überlegungen ist aber das Widerstandsverhalten der Einzelpartikel, wobei weitgehend als Modellkörper die Kugel gewählt wird. Daher steht am Anfang dieser Arbeit eine physikalische Interpretation des Widerstandsverhaltens der Einzelkugel.

Trotz erheblicher theoretischer und experimenteller Anstrengungen (eine Übersicht ist z.B. in [1] gegeben) haben die meisten empirischen Widerstandsformeln für die Schüttungsdurchströmung das Konzept des hydraulischen Durchmessers als Grundlage. Im Falle überwiegender Zähigkeitskräfte führt dieses Konzept zu einer Darstellung des Druckverlustes gemäß der Carman-Kozeny-Gleichung [2], die im Falle kugeliger Partikeln lautet.

Gegenstand dieses Kapitels ist das Problem der Darstellung feststoffbeladener Strömungen im Zusammenhang mit technologischen Aufgabenstellungen. Zur Veranschaulichung dessen, was hierunter im folgenden verstanden werden soll, sei ein Beispiel aus dem Bereich einphasiger Strömungen betrachtet.

Der gesamte Druckabfall in der Wirbelschicht ist gleich dem Gewicht von Fluid und Feststoff, bei gasfluidisierten Betten praktisch gleich dem Feststoffgewicht. Für ein gut fluidisierendes, wenig kohäsives Gut von annähernd einheitlicher Korngröße ergibt sich der mit dem Gesamtgewicht der Schüttung G und der leeren Querschnittsfläche A dimensionslos gemachte Druckverlust ΔP als Funktion der mit der Minimalfluidisationsgeschwindigkeit u_mf dimensionslos gemachten Leerrohrgeschwindigkeit u nach Abb. 4.1.

Die Rohrströmung von Suspensionen ist nicht nur für reine Transportaufgaben [1], selbst über lange Strecken [2] von Bedeutung, sondern auch in der chemischen Technik, so z.B. für den Rohrreaktor zum Lösen von Bauxit bei der Aluminiumerzeugung [3] und in Zukunft wohl insbesondere im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung der Kohletechnologie, insbesondere der Kohleverflüssigung [4].

Gegenstand dieses Kapitels ist die Vorausberechnung des Druckverlustes bei der pneumatischen Förderung im horizontalen und im vertikalen Rohr. Der für die Auslegung von Förderanlagen wichtige, für die Feststoffförderung aufzubringende Druckverlust wird üblicherweise in Form dimensionsloser Kennzahlen als λ_z = λ_z (Fr) dargestellt [1]. Hierbei ist die Kennzahl λ in Analogie zur Kennzahl λ_z der einphasigen turbulenten Rohrströmung gebildet.

Kohäsive Schüttgüter sind dadurch gekennzeichnet, daß sie in begrenztem Maße fähig sind, Zugspannungen zu übertragen. Diese Eigenart insbesondere feinkörniger Schüttgüter hat ihre Ursache darin, daß bei diesen die zwischen den Partikeln wirksamen Haftkräfte im Vergleich zu den eingeprägten Kräften nicht mehr vernachlässigbar klein sind. Die eigentümliche Schwierigkeit für Theorie und Experiment beim Umgang mit kohäsiven Schüttgütern besteht nun darin, daß die zwischen den Partikeln wirksamen Haftkräfte in ihrer Intensität ihrerseits von der Belastungsvorgeschichte des Schüttgutes abhängen. Aus diesem komplexen Materialverhalten folgt für jede theoretische Darstellung, daß sie einerseits hinreichend einfach sein muß, damit sie in der Praxis überhaupt auswertbar ist, daß sie aber andererseits keine Übervereinfachung sein darf, wenn sie noch wesentliche Züge der Realität enthalten soll.