Dynamische Modellierung von Drehrohröfen

Ginsberg, Tobias; Modigell, Michael

doi:999910118498

Dynamische Modellierung von Drehrohröfen = Dynamic modelling of rotary kilns

Ginsberg, Tobias (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tobias Ginsberg

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangV, 140 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Modigell, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-11-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38307
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82629/files/3830.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Mechanische Verfahrenstechnik (416220)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Drehrohrofen (Genormte SW) ; Dynamische Modellierung (Genormte SW) ; Titandioxid (Genormte SW) ; Titandioxidherstellung (Genormte SW) ; Calcinieren (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Sulfatverfahren (frei) ; Kalzinierung (frei) ; rotary kiln (frei) ; dynamic modelling (frei) ; titanium dioxide (frei) ; sulphate method (frei) ; calcination (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob das dynamische Verhalten industrieller Drehrohrofen-Anlagen durch mathematische Modelle mit quantitativer Genauigkeit beschrieben werden kann. Dazu werden die relevanten Wärme- und Stofftransportphänomene im Drehrohr identifiziert und physikalisch begründete Untermodelle angegeben, mit denen diese Phänomene abgebildet werden können. Ein Gesamt-Anlagenmodell ergibt sich durch Kombination dieser Untermodelle. Als Anwendungsfall wird ein Drehrohrofen zur Kalzinierung von Titandioxid-Weißpigment betrachtet. Das für diese Anlage entwickelte Modell wird anhand von Messdaten validiert, die im Rahmen einer mehrwöchigen Messkampagne erhoben wurden. Bei der Modellierung wird davon ausgegangen, dass die Festbettschüttung und die Gasphase in jedem Ofenquerschnitt ideal durchmischt sind. Die Temperaturen und Zusammensetzungen von Feststoff und Gas sind folglich nur von der axialen Koordinate abhängig. Der Wärmetransport durch Strahlung und Konvektion, der regenerative Wärmetransport in der Ofenwand und die Fließgeschwindigkeit des Festbettes werden mit Hilfe von Untermodellen beschrieben. Die chemischen Vorgänge im Ofen werden durch reaktionskinetische Gleichungen dargestellt, die in der Literatur verfügbar sind. Der Energiebedarf dieser Reaktionen wird durch kalorimetrische Messungen ermittelt. Das Modell wird anhand eines dynamischen Testfalls validiert, der den Ofenbetrieb über 15 aufeinanderfolgende Tage hinweg wiedergibt. Während dieser Zeit wechselt der Betriebszustand des Ofens aufgrund des Ausfalls einer Anlagenkomponente. Zur Bewertung des Modells werden unter anderem die Messwerte für die Temperaturen des festen Produktes und der Ofenabluft herangezogen. Eine Fehleranalyse ergibt, dass aufgrund unsicherer Modellparameter und Betriebsmesswerte eine Vorhersagegenauigkeit von +/-244°C bzw. +/-19°C für die beiden genannten Temperaturen zu erwarten ist. Tatsächlich wird die Produkttemperatur jedoch bei einem Mittelwert von etwa 920°C mit einer mittleren Abweichung von +/-35°C wiedergegeben. Für die Ablufttemperatur ergibt sich bei einem Mittelwert von ungefähr 370°C eine mittlere Abweichung von +/-12°C. Die Genauigkeit des Modells ist damit wesentlich besser als aus den Unsicherheiten der Modellparameter und Eingangsgrößen zu erwarten wäre. Die Fehleranalyse zeigt weiterhin, dass die im Modell benötigten Betriebsmessgrößen mehrheitlich durch die an der Anlage vorhandenen Messeinrichtungen, die dem üblichen Industrie-Standard entsprechen, ausreichend genau erfasst werden. Die genauere Messung der Einflussgrößen Falschluftmenge, Eduktzusammensetzung und -massenstrom sowie der Erdgasmenge bieten das größte Potential, um die Genauigkeit des Modells noch weiter zu steigern. Insgesamt deuten die Berechnungsergebnisse darauf hin, dass das dynamische Verhalten von industriellen Drehrohröfen durch rigorose mathematische Modelle mit moderatem Berechnungsaufwand zutreffend wiedergegeben werden kann.

In the work at hand it is investigated whether the dynamic behaviour of industrial rotary kiln plants can be reproduced with quantitative accuracy by means of mathematical models. For this purpose the relevant heat and mass-transfer mechanisms in the kilns are identified and physically founded sub-models are provided that are capable of mapping these phenomena. A model of an entire plant results from combining these sub-models. As a demonstration case a rotary kiln for calcination of titanium dioxide is considered. The developed model for this plant is validated by means of operational data that were captured during a measurement campaign over several weeks. In the model it is assumed that the solid bed as well as the gas phase are ideally mixed in every kiln cross section. Temperatures and compositions thus only depend on the axial coordinate. Heat transfer by radiation and convection, regenerative heat transfer in the kiln wall and the flow velocity of the solid bed are described by means of proper sub-models. The chemical processes within the kiln are described by reaction kinetic expressions that are available in the literature. The respective reaction enthalpies are determined in calorimetric measurements. The model is validated by means of a dynamic test case representing kiln operation over a 15-day period. The test case comprises a change in the operational state of the kiln due to breakdown of a plant component. The model quality is evaluated based on the measured temperatures of the solid product and the off gas, among others. An error analysis yields that due to uncertain model parameters and operational measurement data the model's predictive accuracies equal +/-244°C and +/-19°C, respectively, for the mentioned temperatures. However, the product temperature is actually reproduced with a mean deviation of +/-35°C at an average value of 920°C. A mean deviation of +/-12°C results for the off gas temperature at an average value of 370°C. Hence, the model's predictive accuracy is considerably better than it was to be expected from the parameter and measurement uncertainties. Furthermore the error analysis shows, that most of the measurement values required in the model are captured sufficiently accurate by the standard industrial measurement equipment applied at the considered plant. Improving the measurement accuracy of the false air flow rate, the reactand composition and mass flow, and the fuel flow rate offer the biggest potential to significantly improve the model's accuracy. All in all the simulation results indicate that the dynamic behaviour of industrial rotary kilns can be reproduced by rigorous mathematical models at moderate computational effort.

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