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The Representative Particle Model

Zobel, Nico

Mehrere detaillierte Einzelpartikelmodelle für die thermische Konversion von Biomasse sind in den vergangenen Jahren entwickelt worden. Mit dem Konzept des Repräsentativen-Partikel-Modells (RPM) ist es möglich, solche Einzelpartikelmodelle in Festbettreaktormodelle zu integrieren. In dieser Arbeit wird das Konzept repräsentativer Partikel weiter entwickelt und evaluiert. Die Grundidee ist folgende: Anstatt jedes einzelne Partikel in einem Festbettreaktor zu modellieren, was rechentechnisch enormen Aufwand erfordern würde, wird lediglich eine begrenzte Anzahl an Partikeln in Detail beschrieben. Diese Partikeln werden als repräsentativ für ein finites Volumenelement des Reaktors betrachtet. Die bestimmenden Differentialgleichungen werden ausführlich hergeleitet. Besondere Aufmerksamkeit wird den Randbedingungen der Einzelpartikeln gewidmet. Diese müssen modifiziert werden, wenn sie in ein Festbettreaktormodell eingebunden werden sollen. Der Wärmetransport zwischen benachbarten Partikeln wird zum ersten Mal konsistent modelliert. Es wird gezeigt, dass das RPM auf diese Weise eine Möglichkeit schafft, durch die Berücksichtigung des Gedächtnisterms die Simulation des instationären Wärmetransports in heterogenen Medien zu verbessern. Außerdem wird das RPM-Konzept evaluiert. Simulationsergebnisse bezüglich Aufheizen, Trocknen sowie der Pyrolyse in einem Festbettreaktor werden verglichen mit experimentellen Daten. Diese Evaluierungen zeigen, dass das RPM eine vielversprechende Methode für Multi-Skalen-Modellierungen darstellt.
Several detailed single-particle models for thermal conversion of biomass have been established in recent years. With the Representative Particle Model (RPM) it is possible to integrate such a single-particle model into a packed-bed reactor model. In this work the concept of representative particles is further developed and evaluated. The basic idea is that instead of modeling each individual particle in a packed-bed reactor, which would be computationally very expensive, only a limited number of particles are described in detail. These particular particles are considered as being representative for a finite volume element of the reactor. A detailed derivation of the governing differential balance equations is presented. Special emphasis is put on the boundary conditions of the single-particle model which have to be modified if they are to be integrated into a reactor model. The phenomenon of inter-particle heat transfer is modeled in a consistent manner for the first time. It is shown that the RPM hereby offers a way to improve the simulation of transient heat transfer in fluid-solid heterogeneous media by considering the history term. Forthermore, the concept of the RPM is evaluated. Simulation results considering heating-up, drying and pyrolysis in a packed bed reactor are compared to experimental results. These evaluations demonstrate that the RPM is a promising method for multi-scale modeling.