Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-584
Main Title: Untersuchungen zur abrasiven Beanspruchung von Feststoffpartikeln in einem Rührreaktor
Translated Title: Investigation on abrasive stress of solid particles in a stirrer
Author(s): Salas Cazon, Milton Antonio
Advisor(s): Kuyumcu, Halit Ziya
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Ziel der Arbeit war, den Kenntnisstand über die Mikroprozesse der Abrasion von Feststoffpartikeln zu erweitern. Grundlage der Untersuchung war die experimentelle Ermittlung der Abhängigkeit der gemessenen Masse und Durchmesserverteilung des bei einem einzelnen Kollisionsereignis von Kalksteinpartikeln erzeugten Abriebes von der Partikelform, dem Partikeldurchmesser und den mechanischen Beanspruchungen der Kalksteinpartikeln. Die Abrasionsversuche von in Wasser suspendierten Partikeln wurden in einem Rührreaktor durchgeführt. Es wurde sichergestellt, dass die Abrasion der Partikeln fast ausschließlich aus Kollisionen der Partikeln mit den Rührerblättern resultierte. Die mechanischen Beanspruchungsbedingungen, d.h. die Kollisionsgeschwindigkeit und Frequenz wurden durch plastische Verformung von auf den Rührerblättern aufgebrachten Aluminiumfolien registriert. Die Partikelformkennzahl konnte durch ihre Abhängigkeit vom Abrasionsgrad charakterisiert werden. Diese Abhängigkeit berücksichtigt summarisch sowohl den Einfluss der Oberflächenrauhigkeit als auch der geometrischen Form der Partikel und entspricht einem Flächenverhältnis. Die Partikelformkennzahl kann interpretiert werden als Maß für die Aufteilung der Partikeloberfläche in Bereiche stärkerer und geringerer konvexer Krümmungen und damit in Zonen unterschiedlicher Beanspruchungswirksamkeiten. Der Massenabtrag eines einzelnen Kollisionsereignisses hängt von der Partikelformkennzahl, dem Durchmesser der beanspruchten Partikel sowie von der kinetischen Energie der Kollision der beanspruchten Partikel ab. Interessant ist, dass der mittlere Durchmesser der Abriebpartikel unabhängig vom Durchmesser der beanspruchten Partikel sowie der Beanspruchungsenergie und ausschließlich eine Funktion der Partikelformkennzahl ist. Der qualitativ gleiche Einfluss der Partikelformkennzahl auf den Massenabtrag und den mittleren Durchmesser der Abriebpartikel wird mit der Tatsache erklärt, dass der Abrieb aus dem summarischen Effekt von zwei unterschiedlichen Beanspruchungsprozessen resultiert, die von der Verteilung der Krümmungsradien auf der Partikeloberfläche abhängen. In schwach gekrümmten Oberflächenbereichen werden Bruchstücke der Kristalle herausgebrochen. In Bereichen starker Krümmungen verlaufen die Bruchvorgänge tiefer in die Partikel hinein, und zwar bevorzugt an den Grenzflächen zwischen den einzelnen Kristallen, so dass ganze Kristalle abgetrennt werden. Da die Partikelformkennzahl das Verhältnis von stark und flach gekrümmten Oberflächenbereiche bezogen auf die gesamte Oberfläche der beanspruchten Partikel kennzeichnet, ist ihr Einfluss auf die Masse und mittlere Partikeldurmesser des Abriebes erklärlich. Auf der Grundlage der auf ein einzelnes Kollisionsereignis bezogenen funktionalen Abhängigkeiten konnte eine mathematische Modellierung des Gesamtprozesses vorgenommen werden. Für den Abrasionsgrad als Funktion der Rührdauer ergibt sich eine nicht explizit lösbare Gleichung, die nummerisch integriert werden muss. Die berechneten Funktionsverläufe stimmen qualitativ mit den Resultaten anderer Autoren überein.
The aim of this research work was to expand the knowledge of the microprocesses of abrasion of solid particles. The basis for this investigation was the experimental determination of the dependence of the measured mass and size of produced abrasion debris produced by a single impact event of limestone particles on the shape, particle diameter, and mechanical stress of the limestone particle. The abrasion tests of particles suspended in water were done in a stirrer. It was ensured that the abrasion of the particles resulted almost exclusively from collisions of the particles with the stirrer blades. The mechanical stress conditions (i.e. the collision velocity and frequency) were measured by the plastic deformation of aluminium foils coating the stirrer blades. The initial particle diameter, stirrer rotation speed, and stirring time were varied systematically. The influence of the particle shape number on the abrasion was characterized by their dependency on the degree of abrasion. This dependency considered the sum of the influence of the surface roughness and the geometrical shape of the particle that corresponded to a surface ratio. The particle shape number was interpreted as a measure for the distribution of the particle surface in areas of stronger and smaller convex curvatures and within zones of different effectiveness of mechanical stress. The mass of wear referred to an individual collision event depends on the particle shape number, the diameter of the stressed particle, as well as the kinetic energy of the collision of the stressed particle. Interestingly the middle diameter of the abrasion debris was independent of the diameter of the stressed particles or of the stressing energy. It was exclusively a function of the particle shape number. The qualitative identical influence of the particle shape on the mass of wear and the middle diameter of the abrasion debris was explained by the fact that the abrasion wear results from the summed effect of two different stress processes which depended on the distribution of the radii of curvature on the particle surface. Within flatly curved surface areas fragments of crystals were broken. Within areas of strong curvature the break processes ran more deeply inside of the particle rather than the boundary surfaces between the single crystals so that entire crystals were separated. Since the particle shape number characterized the proportion of flatly and strongly curved surface areas related to the entire surface of the stressed particles its influence on the mass and middle particle size of abrasion debris was explained. On the basis of the functional relations in an individual collision event a mathematical model of the total process was derived. The degree of abrasion as a function of the stirring time resulted in a non-explicit solvable equation which was integrated numerically. The calculated function values agree qualitatively with results of other authors.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-4862
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/881
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-584
Exam Date: 12-Jul-2002
Issue Date: 22-Oct-2002
Date Available: 22-Oct-2002
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): Abrasion
Rührreaktor
Partikel
Partikelform
Abriebpartikel
Suspension
Rührer
Abrasion
stirrer
particle
shape
debris
suspension
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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