Untersuchung der Mikroprozesse bei Interpartikelkollisionen unter trockenen und feuchten Bedingungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Heinrich
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438775980

Wirbelschichten werden in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie eingesetzt und eignen sich aufgrund des exzellenten Wärme-, Stoff- und Impulstransports besonders für Prozesse mit Flüssigkeitseinsprühung zum Agglomerieren, Granulieren und Beschichten von Partikeln. Solche sogenannten Makroprozesse oder Unit-Operations bestehen wiederum aus einer Vielzahl vernetzter, parallel ablaufender Mikroprozesse. Diese Mikroprozesse, wie Beispielsweise die Kollisionen zwischen befeuchteten Partikeln, bestimmen das Verhalten der gesamten Unit-Operation sowie Qualität und Eigenschaften des finalen Produkts. Das Verständnis und die Beschreibung solcher Mikromechanismen ist somit für die Auslegung der Prozesse sowie für die Sicherstellung der Produktqualität und dessen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung. Trotz der hohen Relevanz fehlt in der Literatur für eine Vielzahl von Phänomenen auf der Mikroebene das benötigte fundamentale Verständnis oder die experimentelle Bestätigung der existierenden Theorien. Das Projekt zielt auf die Schließung der bestehenden Wissenslücken bezüglich der auftretenden Phänomene bei der Kollision zwischen Partikeln ab, sowohl unter trockenen, als auch unter befeuchteten Bedingungen. Die Ergebnisse werden die Vorhersage und Steuerung von Feststoffprozessen, wie z.B. Wirbelschichten oder Sprühtrocknern signifikant verbessern. Zur Untersuchung der Vorgänge auf der Mikroebene werden Kollisionsversuche zwischen zwei Partikeln in einem Versuchsaufbau durchgeführt, der im Rahmen des Projekts HE 4526/28-1 eigens dafür entwickelt wurde. In diesem Aufbau werden die Partikelkollisionen mit zwei Hochgeschwindigkeitskameras aufgenommen, wodurch eine dreidimensionale Bewegungsmessung der Partikeln und Flüssigkeiten möglich ist. Durch Erweiterung des experimentellen Aufbaus werden Abhängigkeiten des Kollisionsverhaltens der Partikeln durch umfangreiche Variation der Kollisions- und Materialeigenschaften identifiziert. Insbesondere stehen Flüssigkeitseffekte und deren Einfluss auf die Kollisionsdynamik im Fokus der Untersuchungen. Bezüglich des Flüssigkeitseinflusses bei Interpartikelkollisionen werden Agglomerationsbedingungen, Flüssigkeitsbrückengeometrie, Flüssigkeitsbrückenvolumenentwicklung, Brückenrisslänge, Flüssigkeitsaufteilung zwischen den Partikeln nach der Kollision sowie die Entstehungsbedingungen von Satellitentropfen betrachtet. Die experimentellen Ergebnisse werden, wo vorhanden, mit bestehenden Modellierungsansätzen verglichen. Bestehende Schwächen der Modelle werden identifiziert und durch Modellanpassung ausgeräumt. Die Neuentwicklung von Modellen für bislang nicht näher betrachtete Phänomene sorgt für eine deutliche Steigerung der Genauigkeit von Prozesssimulationen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen