3D Modellierung von Festbettreaktoren mit Hilfe der XDEM

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3D Modellierung von

Festbettreaktoren mit Hilfe

der XDEM

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Inhalt

• Motivation

Thermochemische Reaktoren

• eXtended Discrete Element Method (XDEM)

• Multiphasen Modelierung

– Einzelpartikel

– Granulares Medium/Festbett

• Zusammenfassung und Ausblick

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Thermochemische Reaktoren I

Source: Paul Wurth S.A.

Hochofen

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Thermochemische Reaktoren II

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Hochofenprozess

Image source: “Modern Blast Furnace Ironmaking – An introduction”, M. Geerdes et al.

Florian Hoffmann

• “Ungemütliche” Prozessumgebung (300-1400° C, staubig, CO/CO2) • Multiphasensystem

• Fest (Koks, Sinter, Pellets, Staub, ...)

• Gas

• Flüssig (Roheisen, Schlacke(n))

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Simulationswerkzeug zur Modellierung granularer

Medien und thermochem. Prozesse

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Simulationswerkzeug zur Modellierung granularer

Medien und thermochem. Prozesse

eXtended Discrete Element Method

(XDEM)

Chemische Prozesse • Trocknung • Verbrennung • Vergasung • Reduktion

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Simulationswerkzeug zur Modellierung granularer

Medien und thermochem. Prozesse

eXtended Discrete Element Method

(XDEM)

Chemische Prozesse • Trocknung • Verbrennung • Vergasung • Reduktion

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XDEM HO Schachtprozesse

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XDEM Conversion – Einzelpartikelmodell

Partikel

(z.B. Fe_xO_y) _{Partikelmodell der}

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XDEM Conversion – Einzelpartikelmodell

r/R Partikel

(z.B. Fe_xO_y)

T_g, T_s, p_g, ε, u_g, c_CO, c_CO2, c_FexOy

Transportprozesse und Reaktionskinetik Fe_xO_y+ CO → Fex-1Oy-1 + CO2

k(T) = k₀* exp(E_a/RT)

Florian Hoffmann

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Florian Hoffmann

Validierung: Fe

₃

O

₄

+CO -> 3FeO+CO

₂

(isotherm)

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Validierung: Fe

₃

O

₄

->FeO (1273 K)

Massenanteil Fe₃O₄

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Florian Hoffmann

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Florian Hoffmann

XDEM Conversion, Validerung des Wärme- &

Stofftransports durch Experimente

Iron ore particles

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Florian Hoffmann

XDEM Conversion, Holztrocknung

Iron ore particles

Coke particles

t= 3000s

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Florian Hoffmann

XDEM Conversion, Detailansicht Einzelpartikel

Iron ore particles

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Florian Hoffmann

XDEM Conversion, Reduzierbarkeit ISO7215

30vol% CO 70vol% N₂ Reduzierbarkeitstest: • 500 g Eisenerzpellets • Indirekte Reduktion • 900°C

• 15Nl/min (CO/N2 - Gemisch)

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Florian Hoffmann

XDEM Conversion, Reduzierbarkeit ISO7215

Partikel A

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Florian Hoffmann

XDEM Conversion, Reduzierbarkeit ISO7215

Partikel A

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XDEM Conversion, Reduzierbarkeit ISO7215

Z_Partikel

R180

Zeit [s]

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Florian Hoffmann

Indirekte Reduktion

Iron ore particles

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Florian Hoffmann

Indirekte Reduktion

Iron ore particles

Coke particles

Gas O2, N2

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t=10s t=300s t=700s

Indirekte Reduktion

T_Inlet=1173 K

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(29)

Florian Hoffmann

Indirekte Reduktion

Coke

t=10s t=300s t=700s

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Conclusion

Florian Hoffmann

XDEM = Kopplung zwischen Diskretem und

Kontinuumsansätzen zur Beschreibung

Granularer Medien + thermochem. Prozesse:

• Granulare Phase(n)

• Gas-/Flüssigphase(n)

• Thermochemischen Prozesse

• Prozessheterogenitäten

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3D Modellierung von Festbettreaktoren mit Hilfe der XDEM