3D Modellierung von Festbettreaktoren mit Hilfe der XDEM. Florian Hoffmann
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1 3D Modellierung von Festbettreaktoren mit Hilfe der XDEM
2 Inhalt Motivation Thermochemische Reaktoren extended Discrete Element Method (XDEM) Multiphasen Modelierung Einzelpartikel Granulares Medium/Festbett Zusammenfassung und Ausblick
3 Thermochemische Reaktoren I Hochofen Sinterbett Koksofen Source: Paul Wurth S.A.
4 Thermochemische Reaktoren II Wirbelschichtreaktoren Vorschubrost
5 Hochofenprozess Ungemütliche Prozessumgebung ( C, staubig, CO/CO2) Multiphasensystem Fest (Koks, Sinter, Pellets, Staub,...) Gas Flüssig (Roheisen, Schlacke(n)) Prozesse Chemische Reaktion Wärmetransport Stofftransport Fluidströmungen Image source: Modern Blast Furnace Ironmaking An introduction, M. Geerdes et al. Festkörperbewegung
6 extended Discrete Element Method (XDEM) Simulationswerkzeug zur Modellierung granularer Medien und thermochem. Prozesse Partikel Bewegung Sand Schnee
7 extended Discrete Element Method (XDEM) Simulationswerkzeug zur Modellierung granularer Medien und thermochem. Prozesse Partikel Bewegung Sand Schnee Chemische Prozesse Trocknung Verbrennung Vergasung Reduktion Koks, Pellets, Sinter, Biomasse, Müll,...
8 extended Discrete Element Method (XDEM) Simulationswerkzeug zur Modellierung granularer Medien und thermochem. Prozesse Partikel Bewegung Sand Schnee &/oder Chemische Prozesse Trocknung Verbrennung Vergasung Reduktion Koks, Pellets, Sinter, Biomasse, Müll,...
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12 XDEM HO Schachtprozesse Source: Paul Wurth S.A.
13 XDEM Conversion Einzelpartikelmodell Partikel (z.b. Fe x O y ) BC Partikelmodell der thermochemischen Umsetzung mittels PDGL für: Masse Spezies Energie
14 XDEM Conversion Einzelpartikelmodell Partikel (z.b. Fe x O y ) Transportprozesse und Reaktionskinetik BC Fe x O y + CO Fe x-1 O y-1 + CO 2 k(t) = k 0 * exp(e a /RT) r/r T g, T s, p g, ε, u g, c CO, c CO2, c Fe xoy
15 Validierung: Fe 3 O 4 +CO -> 3FeO+CO 2 (isotherm) XDEM prediction
16 Validierung: Fe 3 O 4 ->FeO (1273 K) Partialdruck CO Massenanteil Fe 3 O 4
17 XDEM Conversion, Festbettmodell
18 XDEM Conversion, Validerung des Wärme- & Stofftransports durch Experimente Iron ore particles Coke particles
19 XDEM Conversion, Holztrocknung XDEM Iron ore particles Coke particles t= 3000s
20 XDEM Conversion, Detailansicht Einzelpartikel Iron ore particles Coke particles
21 XDEM Conversion, Reduzierbarkeit ISO7215 Reduzierbarkeitstest: 500 g Eisenerzpellets Indirekte Reduktion 900 C 15Nl/min (CO/N2 - Gemisch) -> Reduktionsgrad nach 180 min (R180) 30vol% CO 70vol% N 2
22 XDEM Conversion, Reduzierbarkeit ISO7215 Partikel A Partikel A Partikel B
23 XDEM Conversion, Reduzierbarkeit ISO7215 Partikel B Partikel A Partikel A Partikel B
24 XDEM Conversion, Reduzierbarkeit ISO7215 R180 Reduktionsgrad [-] Z Partikel Zeit [s]
25 Indirekte Reduktion Iron ore particles Coke particles
26 Indirekte Reduktion N 2, CO 2, CO, O 2 Iron ore particles Coke particles Gas O 2, N 2
27 Indirekte Reduktion T_Inlet=1173 K t=10s t=300s t=700s 1173 K
28 Indirekte Reduktion CO 2 t=700s Fe 2 O 3 CO Coke O 2 O 2
29 Indirekte Reduktion t=10s t=300s t=700s Coke
30 HO Modell -Zonenmodellierung: - Schaft - Kohäsive Zone - Blasform - Herd - - 2D/3D - 2/3/4 versch. Phasen
31 Conclusion XDEM = Kopplung zwischen Diskretem und Kontinuumsansätzen zur Beschreibung Granularer Medien + thermochem. Prozesse: Granulare Phase(n) Gas-/Flüssigphase(n) Thermochemischen Prozesse Prozessheterogenitäten Intrinsische Modellparameter (Diffusion, Kinetik, Lückengrade,...)
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