Leitet man Gas von unten durch eine Schüttung fester Partikel, gleicht die Widerstandskraft oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit das Gewicht der Partikel aus und die Schicht fluidisiert: Der Feststoff beginnt sich wie eine Flüssigkeit zu verhalten.
Die Schwellengeschwindigkeit (die Lockerungsgeschwindigkeit) findet man, indem man den Druckverlust der Schicht dem Partikelgewicht gleichsetzt; die Ergun-Korrelation ist die klassische Quelle für diesen Druckverlust [1].
Blasen: zugleich Lösung und Problem
Oberhalb der Lockerungsgeschwindigkeit durchquert das überschüssige Gas die Schicht als Blasen.
Der Nutzen: Aufsteigende Blasen durchmischen den Feststoff. Deshalb liefern Wirbelschichten eine hervorragende Wärmeverteilung und arbeiten nahezu isotherm.
Der Schaden: Das Gas im Inneren einer Blase durchquert die Schicht fast ohne Kontakt zum Feststoff — ein Kurzschlussweg. Die Reaktions- oder Wärmeübergangsausbeute kann deshalb unter den Erwartungen bleiben.
Die Auslegung dreht sich um die Beherrschung der Blasengröße: zu klein, und die Durchmischung ist schwach; zu groß, und der Kurzschluss ist zu stark.
Weitere Regime
Mit steigender Geschwindigkeit durchläuft die Schicht Kanalbildung, Kolbenbildung und schließlich die pneumatische Förderung. Jedes Regime hat einen anderen Modellierungsansatz; ein Modell zu wählen, ohne zu wissen, in welchem Regime man sich befindet, ist sinnlos.
Modellierung
Da der Volumenanteil des Feststoffs hoch ist, ist das Verfolgen einzelner Partikel nicht praktikabel; die beiden Phasen müssen als sich durchdringende Kontinua gelöst werden. Siehe die Notiz zur Mehrphasenströmung.
Das Ergebnis hängt stark vom Interphasenwiderstand und von den Schließungsansätzen für die Partikel-Partikel-Stöße ab. Das ist ein Unsicherheitsposten und gehört in den Bericht.
Das Problem ist zudem von Natur aus instationär: Blasen entstehen, koaleszieren und platzen. Eine stationäre Lösung kann die Blasen überhaupt nicht sehen und zeigt die Schicht als homogen. Siehe die Notiz zu stationär oder instationär.
Referenzen
- Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.
- Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806