Characterization of the flow structure of fluid-solid-systems is up till now depending on the solid to fluid density ratio. On the one hand the flow structure of fluid-solid-systems with a solid to fluid density ratio < 3 is characterized by the homogenous flow model described by Molerus ([Molerus 1980], [Molerus 1982]). However, experimental investigations during this work showed an increasing pressure gradient with increasing circulating solids mass flow compared to the calculated value based on the homogenous flow model. On the other hand the flow structure of fluid-solid-systems with a solid to fluid density ratio > 1000 is characterized by the heterogeneous flow model described by Wirth [Wirth 1990]. Again, experimental investigations during this work showed an increasing pressure gradient especially for flow structures in the transition region between axial segregation of solids and axial uniformly distributed solids. Based on theoretical considerations and experimental results a general flow model is developed, able to describe all flow structures for a wide range of solid to fluid density ratios starting from 2,5 up to 7000. For the validation of the general flow model the high density measurements reaching a radial averaged solids concentration of 11 volume percent uniformly distributed over the whole length of the riser with a dimensionless volumetric flow rate up to 0,1. Due to the local flow structure analysis of the experimental investigations all in literature existing flow structures of circulating fluidized beds can be confirmed by their radial profiles of the local solids concentration, local solids velocity and local solids net flux. In addition, the “new” flow structure Dense Suspension Upflow mentioned by Grace [Grace, Issangya et al. 1999] is experimentally confirmed at a radial averaged solids concentration of over 7 volume percent for several solid to fluid density ratios. Based on the experimental results a set of 3 correlations is proposed to calculate all three local values. In difference to the majority of flow structures the time averaged solids net flux of Dense Suspension Upflow near the wall is upwards. The disadvantage of high back mixing ratios of circulating fluidized beds can be overcome by operating under Dense Suspension Upflow. The decreasing residence time distribution under these operation conditions is leading to improvement of conversion and yield especially for selective chemical reactions.

Für die Beschreibung der globalen Strömungszustände in Fluid-Feststoff-Systemen mussten bislang zwei unterschiedliche Modellansätze verwendet werden. Zur Unter-scheidung der unterschiedlichen Fluid-Feststoff-Systeme diente das Dichteverhältnis. Für Dichteverhältnisse < 3 konnten bislang die auftretenden Strömungszustände mit dem homogenen Strömungsmodell nach Molerus zufriedenstellend beschrieben werden. Experimentelle Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit zeigen jedoch, dass es mit zunehmendem zirkulierenden Feststoffmassenstrom bereits bei Dichteverhältnissen < 3 zu einer zunehmenden Abweichungen der gemessenen Druckgradienten von den berechneten Werten kommt. Ebenso zeigen experimentelle Untersuchungen für Dichteverhältnisse > 1000, dass die auftretenden globalen Strömungsstrukturen, vor allem im Übergangsbereich von einer axialen Entmischung hin zu einem axial einheitlichen Strömungszustand mit zunehmendem zirkulierenden Feststoffmassenstrom nicht korrekt vom heterogenen Strömungsmodell nach Wirth beschrieben werden können. Theoretische Überlegungen, die von experimentellen Ergebnissen und Beobachtungen gestützt werden, führen schließlich zu einem allgemeinen Strömungsmodell, dass alle auftretenden Strömungszustände in Fluid-Feststoff-Systemen über den gesamten Bereich an Dichteverhältnissen beginnend bei einem Dichteverhältnis von 2,5 bis hin zu einem Dichteverhältnis von 7000 beschreiben kann. Der Vergleich mit experimentellen Daten bei einer radial gemittelten Feststoffkonzentration von 11 Vol% über den gesamten Aufstrom, bestätigt das allgemeine Strömungsmodell auch für hochkonzentrierte zirkulierende Wirbelschichten mit einem Volumenstromverhältnis bis zu Volstr = 0,1. Zur Berechnung der unterschiedlichen Strömungszustände wird ein auf Strähnen basierendes Strömungsmodell verwendet. Die dabei auftretende Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fluid und dem Feststoff wird mit einem Ansatz nach Richardson Zaki beschrieben. Der Beschleunigungsparameter berücksichtigt weiter, dass die Einzelpartikel nur einen nahezu konstanten Bruchteil der theoretisch zu erreichenden Feststoffgeschwindigkeit erreichen und mit Hilfe des Strähnenantriebskoeffizient wird schließlich der Einfluss des Dichteverhältnis auf die Beschleunigungsvorgänge und damit auf den Impulsaustausch zwischen Fluid und Feststoff ergänzt. Weiter können alle in der Literatur vorhandenen Strömungszustände in Fluid-Feststoff-Strömungen anhand der charakteristischen radialen Profile der lokalen Feststoffkonzentration, der lokalen Feststoffgeschwindigkeit und der lokalen Querschnittsbelastung bestätigt werden. Der in der Literatur postulierte „neue“ Strömungszustand Dense Suspension Upflow für hochbelastete Fluid-Feststoff-Systeme, wie sie für den industriellen Einsatz zunehmend von Bedeutung werden, ist ebenfalls experimentell bestätigt. Zusätzlich wurden Korrelationen für die Berechnung des radialen Verlaufs der lokalen Größen von Feststoffkonzentration, Feststoffgeschwindigkeit und Querschnittsbelastung für Dense Suspension Upflow entwickelt und validiert. Bei diesem Strömungszustand kommt es bei einer radial gemittelten Feststoffkonzentration > 7 Vol% und einer vom Fluid-Feststoff-System abhängigen Anströmgeschwindigkeit zu einer im Mittel aufwärtsgerichteten Fluid-Feststoff-Strömung. Diese Tatsache ist vor allem für die reaktionstechnische Auslegung von zirkulierenden Wirbelschichten von erheblicher Bedeutung. Der große Nachteil der axialen Rückvermischung in zirkulierenden Wirbelschichten und die damit verbundene breite Verweilzeitverteilung führen vor allem bei selektiven chemischen Reaktionen zu einer erheblichen Verschlechterung der reaktionstechnischen Größen. Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse können zukunftsweisend für weitere Entwicklungen bei Reaktorkonzepten für zirkulierende Wirbelschichten sein. Neben dem prinzipiellen Vorteil von zirkulierenden Wirbelschichten, zwei getrennte Batch-Verfahren in einem einzigen kontinuierlichen Verfahren durch das Riser-Regenerator-Konzept zu kombinieren, können zusätzlich durch die Anpassung des Dichteverhältnis des Fluid-Feststoff-Systems die sich einstellenden Strömungszustände beeinflusst werden. Hierzu kann zum Einen durch die „Druckaufladung“ des gesamten Reaktors vor allem die Fluiddichte von gasförmigen Edukten sehr gut angepasst werden. Zum Anderen kann durch die Modifikation der Feststoffdichte, wie sie bereits bei den unterschiedlichen Anwendungen des Expanded-Bed-Adsorption (EBA)-Verfahrens in der Biotechnologie durchgeführt wird, wiederum das Dichteverhältnis entsprechend des gewünschten Strömungszustands eingestellt werden. Mit dem allgemeinen Strömungsmodell steht ein „Werkzeug“ zur Verfügung, die zu erwartenden globalen Strömungszustände im entsprechenden Fluid-Feststoff-System a priori vorauszuberechnen.