Modellierung und Simulation der Dreiphasenströmung in Flotationsapparaten

Die Flotation ist ein Verfahren zur Trennung feinkörniger Feststoffteilchen aufgrund der unterschiedlichen Benetzbarkeit ihrer Oberflächen. Es spielt eine zentrale Rolle in der Resourcentechnologie zur Trennung werthaltiger Erze von ihrem Trägergestein und damit zur Sicherung der Versorgung mit Basismetallen wie Kupfer, Blei, Zink, Zinn, Aluminium oder Nickel wie auch sog. kritischer Rohmaterialien, zum Beispiel den Seltenen Erden. Während gegenwärtige Flotationsprozesse im Bereich von Partikelgrößen zwischen ca 50 und 250 µm relativ gute Ergebnisse liefern, gewinnt die selektive Trennung mineralischer Erze im Bereich sowohl feinerer wie auch gröberer Partikel zunehmend an Bedeutung.

Die Anlagerung der Partikel an die Blasen sowie die Stabilität der gebildeten Aggregate wird neben den chemisch-physikalischen Oberflächeneigenschaften vor allem durch die lokale Hydrodynamik bestimmt. Eine Optimierung des Designs bestehender bzw. die Entwicklung neuer Flotationsapparate bietet somit ein großes Potential die Effizienz und Selektivität der Trennung durch gezielte Strömungsführung zu verbessern und damit den Energieeinsatz zu verringern und die Ausbeute zu erhöhen. Der Einsatz von Methoden der Mehrphasen-CFD kann hierbei experimentelle Techniken sinnvoll ergänzen. Zu diesem Zweck sind geeignete Schließungsmodelle für Dreiphasenströmungen und die Anlagerung von Partikeln an Blasen zu entwickeln.

Als erste Schritte in dieser Richtung wurden bereits existierende Modelle für zweiphasige Strömungen in Blasensäulen auch für begaste Rührkessel erweitert und validiert [1]. Ebenso wurde ein Basissatz von Schließungsmodellen für zweiphasige partikuläre Strömungen in solchen Apparaten aufgestellt und validiert [2-4]. Derzeit wird an der Kombination beider Modellsätze für Dreiphasenströmungen gearbeitet. Des weiteren ist für höhere Gas- und Feststoffanteile, wie sie in industriellen Flotationsprozessen vorliegen, eine Erweiterung der Modelle erforderlich. Eine Validierung für diese Fälle erfordert zusätzlich experimentelle Untersuchungen, da sich in der Literatur kaum Daten finden, die für diesen Zweck geeignet sind.

Veröffentlichungen:

1. Shi, P., Rzehak, R.,
   Bubbly flow in stirred tanks: Euler-Euler/RANS modeling,
   Chemical Engineering Science, 190 (2018), 419-435.
2. Shi, P., Rzehak, R.,
   Solid-liquid flow in stirred tanks: Euler-Euler/RANS modeling,
   Chemical Engineering Science 227 (2020), 115875.
3. Sommer, A.-E., Rox, H., Shi, P., Eckert, K., Rzehak, R.,
   Solid-liquid flow in stirred tanks: ‘‘CFD-grade” experimental investigation,
   Chemical Engineering Science, 2021, 245, 116743.
4. Shi, P., Sommer, A.-E., Rox, H., Eckert, K., Rzehak, R.,
   Euler-Euler/RANS modeling of solid-liquid flow in stirred tanks: A comprehensive model validation,
   Minerals Engineering, 2022, 185, 107679.