Charakterisierung des Einschmelzens von Borosilikatglas in einem kontinuierlichen und stationären Cold-Top-Reaktor

Kouasseu Ngantcha, Alex Thierry; Roos, Christian Hans-Georg (Thesis advisor); Deubener, Joachim (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen neuen methodischen Ansatz zur Charakterisierung des Umwandlungsprozesses von Rohstoffen in einem quasistationären Reaktor zu entwickeln. Zur Charakterisierung wurde ein Borosilikatglasgemenge in einem konzipierten stationären Cold-Top-Reaktor mit einer geschickten Vorgehensweise behandelt, um wichtige Eigenschaften eines stationären und sich bewegenden Volumenelements wie Temperaturverlauf, Strömung und Umwandlungsverlauf unter Einfluss der Betriebstemperatur und des Durchsatzes zu erfassen. In der Arbeit wird das Gemengeeinschmelzen mit zwei unterschiedlichen Betriebstemperaturen und drei unterschiedlichen Durchsätzen, 1400 °C (12, 15, 20 g/min) und 1300 °C (10, 12, 15 g/min) untersucht. Für das sich kontinuierlich bewegende System zeigt sich auf Basis der experimentellen Ansätze zur In-situ-Temperaturmessung und Verweilzeit-messung, dass das Gemengeeinschmelzen im kontinuierlichen System einen nichtlinearen axialen Temperaturverlauf in Form einer exponentiellen Funktion und ein konstantes Geschwindigkeitsprofil im pulverigen Bereich kombiniert mit einem parabolischen Geschwindigkeitsprofil nach der Bildung der Schmelzphase aufweist. Mittels experimenteller Messungen und Betrachtung der axialen Phasenumwandlung (mittels Röntgenbeugung und Thermoanalyse) werden die Eigenschaften der Gemengeumwandlung in der Mitte der Anlage dargestellt und es wird ein Einschmelzmodell der Schmelzbildung mit festen kinetischen Parametern gebildet. Der Versuch mit dem kleinsten Durchsatz liefert einen Vorteil bei der lokalen Umsetzung des Gemenges. Strömende Volumenelemente erreichen bei einem Viertel der Anlage einen Umsatz von 80, 74 und 63 % bei einer Betriebs-temperatur von 1300 °C und einem Durchsatz von 10, 12 und 15 g/min. Der Grund dafür ist ein verbesserter Wärmedurchgang durch ein früheres lokales Auftreten der Gasbildungsreaktion beim Versuch mit einem kleinen Durchsatz, was Vorteile für die Freisetzung in der Atmosphäre bietet. Zudem erweist sich der Prozess mit einer höheren Betriebstemperatur als vorteilhaft im Vergleich zu dem Prozess mit einer niedrigeren Betriebstemperatur. Die neue experimentelle Vorgehensweise und die erzielten Ergebnisse unter Einfluss der Prozessparameter können zur Untersuchung der eintretenden Phänomene (Schaum- und Blasenbildung) sowie zur Verbesserung der mathematischen Simulation genutzt werden.

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