Modellierung und Simulation von mehrdimensionaler Fraktionierung in Feinpartikelsystemen und deren Anwendung

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Mathias Joachim Krause
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382064892

Für Feinpartikelsysteme besteht im Größenbereich von 100nm bis 10µm eine Trennlücke, in welcher etablierte Verfahren eine schwächere Trennschärfe bzw. verminderte Effizienz aufweisen. Um bestehende Anlagen und Verfahren verbessern zu können, werden in diesem Vorhaben neue grundlegende Erkenntnisse zur Partikeldynamik durch numerische Simulationen gewonnen. Dabei wird auf ein vorangegangenes Vorhaben aufgebaut, in welchem ein Modell zur Vorhersage von Sedimentationen beliebig geformter Partikel und formverteilter Partikelkollektive erstellt wurde. Dabei fokussierte sich der Antragsteller auf die Form der Partikel um Parameter wie Dichte, Größe, Aspektverhältnis, Sphärizität und Konvexität zu einem mehrdimensionalen Trennmerkmale zu korrelieren. In diesem Vorhaben liegt der Fokus auf prozesstechnischen Anwendungen. Dazu wird das Modell erweitert, so dass Simulationen von realistischen Partikelkollektiven in realen Anwendungs-Geometrien erfolgen können. Das Hauptziel ist dabei die Aufklärung von mehrdimensionalen Korrelationen von Form- und Betriebsparametern auf der Prozess-Skala zur Verbesserung der Selektivität im Größenbereich der Trennlücke. Einerseits sind dazu Partikel über einen winkelabhängigen Widerstandskoeffizienten weiter hinsichtlich ihrer dynamischen Eigenschaften in einer Strömung zu charakterisieren. Anderseits sind statistische Untersuchungen auf reale vermessene Partikelsysteme auszuweiten. Eine Erweiterung stellt auch das Berücksichtigen von Prozessparametern, wie der Schleuderzahl sowie Feldstärken eines extern angelegten E- oder B-Feldes, dar. Zunächst werden Korrelationen von Form- und Prozessparametern auf Mikro-Skala bezüglich der Partikeldynamik ermittelt. Daraus werden Fälligkeitseigenschaften und schließlich Wiederstandkräfte und Diffusionskoeffizienten für polydisperse Partikelkollektive abgeleitet. Diese gehen dann in ein Populationsbilanzmodell für die Prozess-Skala ein, welches durch Kopplung einer Navier-Stokes-Gleichung und mehreren Advektion-Diffusion-Gleichungen beschrieben wird. Das dabei entstehende Simulationstool wird für Untersuchungen von Anwendungs-Geometrien wie zum Beispiel Chromatographie-Säulen, Zentrifugen und weiteren Anlagen verwendet. Am Ende des Projektes stehen Erkenntnisse sowie ein erweitertes Modell bzw. Simulationstool zur Vorhersage mehrdimensionaler Fraktionierung. Durch die Fokussierung auf Anwendungs-Geometrien tragen die Ergebnisse unmittelbar zur Verbesserung der Auslegung von prozesstechnischen Anlagen bei.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2045: Hochspezifische mehrdimensionale Fraktionierung von technischen Feinstpartikelsystemen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl