Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7831
Main Title: A framework for the derivation of dynamic process models for sieving
Translated Title: Ein Rahmensystem zur Ableitung dynamischer Siebprozessmodelle
Author(s): Elskamp, Frederik
Advisor(s): Kruggel-Emden, Harald
Referee(s): Kruggel-Emden, Harald
Weber, Alfred P.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: For a wide field of applications in mechanical process engineering and materials preparation technology, screening as technical simple but still not satisfactorily understood process step is well suited to separate bulk materials according to their particle sizes. Frequently, particles prevail in broad size distributions, highly non-spherical shape and under moist conditions, complicating the handling of screening processes. The complexity and significance of this process even increase when screening is operated within combined solids processes, in which defined narrow particle size distributions are needed for subsequent process steps. Therefore, it is inevitable to understand the subprocesses of screening (stratification, particle passage and particle transport) and their interaction. Furthermore, flexible, simple and predictive tools for a quantitative representation of screening on the background of a transient description are significant in industrial applications. For the design and improvement of screening processes, detailed particle-based simulation approaches like the discrete element method (DEM) as well as various computational efficient phenomenological process models are available. Usually, the material-, operating-, and apparatus-specific parameters of process models are empirically determined by experiments, whereas, in this work, the parameters for dynamic screening models are directly obtained from DEM simulations, which are validated against experimental investigations. Within this work, discontinuous and continuous screening as well as its subprocesses in laboratory scale and realistic polydisperse systems are investigated. Therein, different screen geometries and characteristics are considered along with various mechanical excitations applying model and real particle shapes under the influence of various liquid amounts. Besides the inherent transient nature of batch sieving, screening processes under induced altered operational conditions are considered to study their dynamic behavior. In order to perform reliable DEM screening simulations, the exact determination of particle properties like size, shape, material and contact parameters is essential, which is performed in advance of the simulations in this thesis by a self-developed general straightforward calibration procedure. Furthermore, existing phenomenological process models of differing complexity are benchmarked based on the passage rate or residual mass obtained by DEM simulations of stationary operated discontinuous and continuous dry screening processes. Additionally, suitable process models are extended to represent screening processes under altered operational conditions and under the influence of moisture. A further extension is accomplished in order to predict screening results for different operational parameters and liquid amounts, after a material- and apparatus-specific parameter adjustment. As a result, derived process models can be applied as prototypes in dynamic process simulation frameworks together with other solids processes like grinding, agglomeration or air classifying.
Für ein breites Anwendungsgebiet in der mechanischen Verfahrens- und Aufbereitungstechnik ist das Sieben als technisch einfacher, aber noch nicht ausreichend verstandener Verfahrensschritt gut geeignet, um Schüttgüter nach ihren Korngrößen zu trennen. Häufig liegen Partikel dabei in breiten Größenverteilungen, stark nicht-sphärischer Gestalt und unter feuchten Bedingungen vor, was die Gestaltung und Durchführung von Siebprozessen erschwert. Die Komplexität und Signifikanz dieses Prozesses erhöht sich, wenn das Sieben als Teil vernetzter Feststoffprozesse erfolgt, bei denen definierte, enge Partikelgrößenverteilungen für nachfolgende Prozessschritte benötigt werden. Daher ist es unumgänglich, die Teilprozesse des Siebens (Stratifikation, Partikeldurchtritt und Partikeltransport) und deren Wechselwirkung zu verstehen. Darüber hinaus sind flexible, einfache und prädiktive Werkzeuge für eine quantitative Darstellung des Siebens vor dem Hintergrund einer transienten Beschreibung in industriellen Anwendungen von Bedeutung. Für die Auslegung und Optimierung von Siebprozessen stehen detaillierte partikelbasierte Simulationsansätze wie die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) sowie verschiedene recheneffiziente phänomenologische Prozessmodelle zur Verfügung. Üblicherweise werden die material-, betriebs- und apparatespezifischen Parameter der Prozessmodelle empirisch durch Experimente bestimmt, wohingegen in dieser Arbeit die Parameter für dynamische Siebmodelle direkt aus experimentell validierten DEM-Simulationen gewonnen werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden diskontinuierliche und kontinuierliche Siebungen sowie deren Teilprozesse im Labormaßstab und in wirklichkeitsnahen polydispersen Systemen untersucht. Dabei werden verschiedene Siebgeometrien, -eigenschaften und -anregungen betrachtet, wobei Modellkörper und reale Partikelformen unter dem Einfluss verschiedener Flüssigkeitsmengen herangezogen werden. Neben der instationären Natur der Chargensiebung werden induziert veränderte Betriebsbedingungen von Siebprozessen betrachtet, um deren dynamisches Verhalten zu untersuchen. Für die zuverlässige Durchführung von DEM-Siebsimulationen ist die genaue Bestimmung von Partikeleigenschaften wie Größe, Form, Material- und Kontaktparametern essentiell, was im Vorfeld der Simulationen dieser Dissertation durch einen selbstentwickelten, universell einsetzbaren und unkomplizierten Kalibrierungsansatz erfolgt. Darüber hinaus werden existierende phänomenologische Prozessmodelle unterschiedlicher Komplexität auf der Grundlage der Durchtrittsrate oder der Rückstandsmasse, die durch DEM-Simulationen stationär betriebener diskontinuierlicher und kontinuierlicher Trockensiebungen erhalten werden, beurteilt. Zusätzlich werden geeignete Prozessmodelle zur Darstellung von Siebprozessen unter veränderten Betriebsbedingungen und unter Feuchteeinfluss erweitert. Eine zusätzliche Neuerung besteht in der Vorhersagbarkeit von Siebergebnissen für verschiedene Betriebsparameter und Flüssigkeitsmengen nach einer material- und apparatespezifischen Parameteranpassung. Die hergeleiteten Prozessmodelle können schlussendlich als Prototypen in dynamischen Prozesssimulationsumgebungen zusammen mit anderen mechanischen Prozessen wie Mahlung, Agglomeration oder Sichtung eingesetzt werden.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8702
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7831
Exam Date: 7-Dec-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 25-Jan-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): screening processes
discrete element method
dynamic flow sheet simulation
Siebprozesse
Diskrete Elemente Methode
dynamische Fließschemasimulation
Sponsor/Funder: DFG, SPP 1679, Dynamic simulation of interconnected solids processes (DYNSIM-FP)
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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