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

Kouasseu Ngantcha, Alex Thierry; Roos, Christian Hans-Georg; Deubener, Joachim

doi:40807

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

Kouasseu Ngantcha, Alex Thierry^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alex Thierry, Kouasseu Ngantcha, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Roos, Christian Hans-Georg (Thesis advisor)^RWTH* ; Deubener, Joachim (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-07-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-07267
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/823923/files/823923.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Borosilikate (frei) ; Einschmelzen (frei) ; Kinetik (frei) ; borosilicate glass (frei) ; continuous process (frei) ; hot process (frei) ; kinetics (frei) ; kontinuierliche Prozesse (frei) ; melting method (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

The aim of the work is to develop a new methodological approach to characterize the conversion process of raw materials in a quasi-stationary reactor. For the characterization, a borosilicate glass mixture was treated in a designed stationary cold-top reactor with a new approach to capture important properties of a stationary and moving volume element, such as the temperature profile, the flow and the conversion behavior under in-fluence of the operating temperature and the throughput. The thesis deals with the investigation of batch melting with two different operating temperatures and three different throughputs, 1400 °C (12, 15, 20 g/min) and 1300 °C (10, 12, 15 g/min). Based on the experimental approaches for in-situ temperature measurement and residence time measurement, it was shown for the continuous moving system, that in the continuous system batch melting has a non-linear axial temperature profile in the form of an exponential function and a constant velocity profile in the powdery region combined with a parabolic velocity profile after the formation of the melt phase. Through experimental measurements and examination of the axial phase transformation (using X-ray diffraction and thermal analysis), an overview of the properties of the mixture trans-formation is established in the middle of the furnace and reproduced by using a melting model of the melt formation with fixed kinetic parameters. The experiment with the lowest throughput provides an advantage for the local conversion of the batch. Flowing volume elements achieve a conversion of 80, 74 and 63 % in one quarter of the plant at an operating temperature of 1300 °C and a throughput of 10, 12 and 15 g/min. The reason for this is an improved heat transfer due to an earlier local occurrence of the gas formation reaction during the experiment with a low throughput, which offers advantages for the release into the atmosphere. Furthermore, the process with a higher operating tempera-ture proves to be advantageous compared to the lower operating temperature. The new experimental approach and the results obtained under the influence of the process parameters can be used to investigate the phenomena occurring (foam and bubble formation) and to improve mathematical simulation.

OpenAccess:
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