Durchströmt ein fluides Medium (Flüssigkeit oder Gas) eine Schüttschicht aus körnigem Material (d = 0,1 bis 10mm) entgegen der Schwerkraftrichtung, so bestimmt die Strömungsgeschwindigkeit das Verhalten der Feststoffteilchen. Bei geringer Strömungsgeschwindigkeit bleiben die Feststoffteilchen der Schüttschicht in Ruhe, und das fluide Medium strömt durch die Schüttschichtporen. Ein derartiges System wird als Festbett bezeichnet. Der Druckverlust des strömenden Mediums in der Schüttschicht steigt zunächst linear mit der Strömungsgeschwindigkeit an. Durch Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit wird schließlich ein Zustand erreicht, in dem das Festbett zu expandieren beginnt. Dies geschieht von dem Augenblick an, in dem der Druckverlust des strömenden Mediums in der Schüttschicht gleich dem auf die Flächeneinheit bezogenen Schüttgewicht des Feststoffes wird. In diesem Zustand reicht der Druck des Fluides unter der Schicht aus, um sie anzuheben und in ihrem Gefüge zu lockern., Nach weiterer Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt bei Überschreitung des sog. Wirbelpunktes der Übergang von der Schüttschicht (Festbett) zur Wirbelschicht (Fließbett). Diejenige charakteristische bzw. kritische Strömungsgeschwindigkeit, bei der die Schicht gerade zu wirbeln beginnt, wird als Wirbel- oder auch Wirbelpunktsgeschwindigkeit bezeichnet. Nach Überschreitung des Wirbelpunktes bleibt der Druckverlust in der Wirbelschicht annähernd konstant. Der Wirbelzustand ist dadurch charakterisiert, daß die auf jedes Feststoffteilchen wirkende Schwerkraft durch eine entgegengesetzt gerichtete Strömungskraft (Reibungskraft in der Grenzschicht zwischen strömendem Medium und Teilchen) aufgehoben wird. In der Wirbelschicht befinden sich die Feststoffteilchen in lebhafter Bewegung und Durchmischung, wobei sich die Zwischenräume zwischen den Teilchen im Vergleich zur ruhenden Schüttschicht vergrößern und die Teilchen in der Schwebe gehalten werden. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Mediums expandiert die Wirbelschicht weiter, nimmt in ihrer Dichte ab, zeigt aber eine deutliche Oberfläche. Die Wirbelschicht verhält sich - auch in Gasen - wie eine Flüssigkeit, in der bei zu hoher Strömungsgeschwindigkeit Blasen verschiedener Größe aufsteigen. Diese Blasen zerplatzen dann an der oberen Begrenzung der Wirbelschicht und verleihen ihr das Erscheinungsbild einer kochenden Flüssigkeit. Bei Vorhandensein grober Feststoffpartikeln tritt oft ein Stoßen in der Schicht auf. Die Erscheinungsformen der Wirbelschicht sind sehr vielfältig und hängen primär von den Eigenschaften des strömenden Mediums und des Feststoffes ab. Generell unterscheidet man zwischen homogenen und inhomogenen Wirbelschichten. Eine homogene Wirbelschicht liegt dann vor, wenn die Feststoffteilchen gleichmäßig im Schichtvolumen suspendiert sind, d. h. wenn weder örtliche noch zeitliche Schwankungen der Feststoffkonzentration auftreten. Dieser Typ der Wirbelschicht tritt dann auf, wenn der Dichteunterschied zwischen Feststoff und Strömungsmedium gering ist und Teilchen gleicher Beschaffenheit (Form, Größe, Dichte) in der Wirbelschicht vorliegen. Diese Bedingungen werden annähernd von Flüssigkeit-Feststoff-Wirbelschichten erfüllt. Von einer inhomogenen Wirbelschicht spricht man dann, wenn die vorgenannten Bedingungen der Feststoffverteilung nicht mehr zutreffen. Hierbei sind mehrere Erscheinungsformen möglich, die außer von den Eigenschaften des Feststoffes noch von den verfahrenstechnisch bedingten Parametern (Strömungsgeschwindigkeit, Art des Anströmbodens, Apparateform usw.) abhängen. Die Inhomogenität der Wirbelschicht ist typisch für Gas-Feststoff-Wirbelschichten.
Die gegenwärtig vorhandenen Kenntnisse über das Verhalten von Wirbelschichten reichen für eine allgemeingültige mathematische Behandlung der Problematik nicht aus. Diese Tatsache verhindert eine geschlossene Vorausberechnung und macht - wie oftmals in der Verfahrenstechnik - zusätzliche experimentelle Untersuchungen notwendig, wobei die "Übertragung von Laborergebnissen auf großtechnische Verhältnisse problematisch ist, da Wirbelschichten in Laborapparaten ein durchaus anderes Verhalten zeigen können als in entsprechenden industriellen Apparaten. Trotzdem ist man in der Lage, einige grundlegende Berechnungsgleichungen für den Druckverlust in der Wirbelschicht und die Wirbelgeschwindigkeit aufzustellen. Hierbei hat sich die Anwendung von Ähnlichkeitskennzahlen wiederum als sehr nützlich erwiesen.
Für die mathematische Beschreibung der Wirbelschicht ist die kritische Strömungsgeschwindigkeit, die als Wirbelgeschwindigkeit bezeichnet wurde, eine charakteristische Kenngröße. Zu ihrer Bestimmung werden in der Literatur verschiedene Gleichungen angegeben, wobei man auch häufig Nonogramme findet, die ein rationelleres Arbeiten ermöglichen. Neuere Arbeiten nutzen die Ähnlichkeitstheorie zur Bestimmung der kritischen Geschwindigkeit am Wirbelpunkt.
Ein weiterer kritischer Betriebszustand der Wirbelschicht wird erreicht, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids bis zur Absetzgeschwindigkeit der Feststoffteilchen gesteigert wird. Tritt dieser Zustand ein, so ist der Austragspunkt erreicht. Die Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums gleicht im Austragspunkt der Absetzgeschwindigkeit der Feststoffteilchen und wird als Schwebegeschwindigkeit bezeichnet. Die Schwebegeschwindigkeit stellt somit die zweite kritische bzw. maximale Wirbelgeschwindigkeit dar.
Bei weiterer Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit werden die Feststoffteilchen vom strömenden Medium mitgerissen und entgegen der Schwerkraft aus dem Wirbelschichtapparat ausgetragen.
Zwischen dieser oberen, durch die Absetzgeschwindigkeit gegebenen Grenze und der durch die kritische Wirbelgeschwindigkeit im Wirbelpunkt markierten unteren Grenze liegt das Zustandsgebiet der eigentlichen Wirbelschicht. Infolge der großen Intensität der Stoff- und Wärmebewegung innerhalb der Wirbelschicht ist sie verfahrenstechnisch von außerordentlich großer Bedeutung z. B. für katalytische Prozesse, Gasreinigungsverfahren, Trocknungsvorgänge usw. Darüber hinaus ist der Zustand technisch von Interesse, der eintritt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums die den Austragspunkt charakterisierende maximale Wirbelgeschwindigkeit (Absetzgeschwindigkeit) überschreitet. Dann geht die Wirbelschicht in den Bereich der pneumatischen oder hydraulischen Förderung von Feststoffen über.
Die maximale Wirbelgeschwindigkeit am Austragspunkt kann als Absetz- bzw. Schwebegeschwindigkeit berechnet werden. Auf eine Darstellung der Gleichungen wird hier verzichtet. Neuerdings wird sie aus Ähnlichkeitsbeziehungen ermittelt.
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