Zyklon Agglomeration

Die Abscheidung von Mikro- und Nanopartikel aus Gasen wird immer wichtiger. In einem Zyklon können solche Teilchen durch Zentrifugalkräfte normalerweise nicht mehr abgeschieden werden, aber es ist dennoch möglich, wenn solche Teilchen einen Verband, ein "Agglomerat", bilden. Agglomeration ist als ein Abscheidemechanismus für feine Teilchen in Sedimentationsprozessen im allgemeinen akzeptiert. Bei den meisten Zyklonen tritt Agglomeration auf und viele Wissenschafter glauben, dass Agglomeration für den "fish-hook" in Trenngradkurven verantwortlich ist. Auf der einen Seite verbessert die Agglomeration die Abscheidung, aber auf der anderen Seite ist sie der Grund für eine schlechte Klassierung. Nur wenn man ein besseres Verständnis für diesen Effekt bekommt kann man ihn unterdrücken oder fördern. Darum wollen wir die Agglomeration in einem Gaszyklon sowie deren Mechanismen und Bindungskräfte in einem zweijährigen Forschungsprojekt untersuchen. Im experimentellen Teil der Arbeit wollen wir die bestehende Zyklonversuchsanlage mit den Zyklonen - von denen wir umfangreiche LDA- und PDA-Messergebnisse aus vorhergehenden Projekten besitzen - nutzen. Wir wollen Agglomerate aus der Zyklonströmung absaugen, auf verschiedenen Substraten niederschlagen und sie dann mitLicht- und Elektronenmikroskopie analysieren. Dadurch erhalten wir Informationen über die Primärpartikelanzahl und deren Partikelgrößenverteilung (einige Autoren glauben, dass große Teilchen kleine aufsammeln). Wir werden festhalten an welchem Ort die Agglomerate mit welcher Häufigkeit auftreten und ob unterschiedliche Typen vorhanden sind. Die Größe, die Form und die Struktur der Agglomerate und der Primärpartikel werden wir mit verschiedenen Parametern z.B. Fraktale Dimension beschreiben. Daraus hoffen wir den Agglomerationsmechanismus und die herrschenden Bindungskräfte (short und/oder long range forces) erklären zu können. Im theoretischen Teil werden CFD-Simulationen mit kommerzieller Software durchgeführt. Zuerst sollen damit frühere LDA-Messungen bestätigt werden, dann gilt es den Ort, die Ausrichtung und die geeignete Absauggeschwindigkeit für isokinetische Probenahme zu bestimmen. Der eigentliche Zweck der CFD- Berechnungen ist jedoch die Simulation der Partikelbewegung mit einem Euler-Lagrange Verfahren. In diese Simulation sollen dann ein Partikelkollisionsmodell und ein Agglomerationsmodell eingebaut werden. Aus dem Wissen der experimentellen Arbeit haben wir wichtige Parameter, wie Dichte und maximale Größe der Agglomerate, zur Verfügung, welche für eine realistische Modellierung notwendig sind.

Die Abscheidung von Mikro- und Nanopartikeln aus einem Gasstrom mittels Zyklonen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Sie gelingt nach bestehenden Theorien nicht, in der Praxis aber sehr wohl. Der entscheidende, in den Theorien nicht berücksichtigte Mechanismus ist die Agglomeration mehrerer Teilchen zu einem viel größeren Gebilde, das sich dann wie ein großes Teilchen verhält und als solches durch die Zentrifugalkraft ausgeschleudert wird. Diese Agglomeratbildung war bisher nicht bewiesen. Die Aufgabe war somit der experimentelle Nachweis der Agglomeratbildung im Zyklon, sowie der Versuch einer mathematischen Modellierung der Abscheidung so feiner Partikel mittels der Agglomeration. Im experimentellen Teil wurden Agglomerate aus dem Zyklon gewonnen und auf einem Mikrofilter abgeschieden. Sie können ihrer Gestalt nach in drei Typen eingeteilt werden: Typ 1: Ein großes Partikel, etwa 10 m Durchmesser, in der Literatur als "Kollektor" bezeichnet hat auf seiner Oberfläche eine Anzahl kleiner Partikel mit ca. 1 m Durchmesser angelagert. Gebilde dieser Art konnte man nach dem Agglomerationsmodell von Löffler erwarten. Typ 2: Diese Agglomerate bestehen aus kleinen (= 3 m) Partikeln, die linear, wie auf einem Faden aufgefädelt sind. Diese Gebilde erreichen Längen bis zu 30 m. Typ 3: Typ3-Agglomerate sind große, rundliche Kugeln, die aus tausenden größeren und kleineren Teilchen bestehen. Sie erreichen Durchmesser bis zu 30 m. Agglomerate der Typen 2 und 3 sind völlig unerwartet aufgetreten, der Mechanismus ihrer Entstehung ist im Dunkeln. Mit der Darstellung und Klassifizierung der Agglomerate ist der Nachweis gelungen, dass die - folgt man den Theorien - "nicht abscheidenden" Partikel mittels der Agglomeration mit einem Zyklon aus einem Gasstrom separiert werden können. Im theoretischen Teil wurde das kommerzielle CFD-Programm FLUENT um die Modelle für Wandberührung und Kollision im Flug nach Sommerfeld erweitert. Es zeigte sich, dass die Abscheidung der großen Partikel sehr gut berechnet wurde. Die Abscheidung der kleinen Partikel konnte aber nicht befriedigend berechnet werden. Offensichtlich gibt das Agglomerationsmodell nicht den real im Zyklon ablaufenden Prozess wieder. Unsere weiteren Beobachtungen hinsichtlich der Belagbildung an der Zyklonwand legen den Schluss nahe, dass der direkte Kontakt mit der Wand eine Rolle spielt. Vermutlich werden Partikel temporär an der Wand abgeschieden und als Anhäufung wieder abgelöst.