Prozesskinetik der Desintegration von polydispersen Parikelsystemen bei der Fällung von Bariumsulfatin einem Ringspaltreaktor

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Tomas (†)
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 108297311

Das Ziel des Projektes ist die experimentelle Erfassung und Modellierung eines integrierten Prozesses zur Erzeugung von nanoskaligem Bariumsulfat durch chemische Fällung und gleichzeitiger mechanischer Desintegration in einem Prozessraum. Die Herausforderung ist dabei die Herstellung eines gegen Agglomeration stabilisierten Bariumssulfats, dessen Partikelgrößenverteilung nahezu monodispers ist. Ein geeignet zu gestaltender Ringspaltreaktor fungiert gleichzeitig als chemischer Reaktionsraum zur Fällung und mechanischen Desintegration. Dadurch kann die Redispergierung des polydispersen Partikelsystems zu nanoskaligem Bariumsulfat mit Volumenkonzentrationen bis zu 30 % bei – im Vergleich zur Feinstzerkleinerung – moderaten mechanischen Energieeinträgen realisiert werden. Der Prozessraum des Ringspaltreaktors wird so ausgelegt, dass durch eine hohe Beanspruchungsintensität und -häufigkeit gezielt Zerteil- und Bruchvorgänge im Partikelkollektiv erzeugt werden, die Zuführung der benötigten chemischen Ausgangsverbindungen erfolgt über einen integrierten Mischer. Der zeitliche Prozessfortschritt bei der Desintegration während der mechanischen Beanspruchung und gleichzeitiger Stabilisierung im Prozessraum wird über die Veränderung der Partikelgrößenverteilung des Fällungsproduktes experimentell online erfasst. Dazu werden spektroskopische Methoden (Photonenkorrelationsspektroskopie, Laserbeugung, Ultraschallspektroskopie) in Kombination mit Methoden zur Zeta-Potentialbestimmung eingesetzt. Darüber hinaus soll eine am Lehrstuhl entwickelte Messmethode auf Basis der laserinduzierten Photolumineszenz in-line eingesetzt werden, um erstmalig sowohl die Beanspruchungsart, -Intensität und -häufigkeit als auch die Zerteil- und Bruchvorgänge zu erfassen. Anstelle einer kommerziell erhältlichen Rührwerksmühle ist für den Ringspaltreaktor eine Eigenentwicklung vorgesehen, um verschiedene Gestaltungen des Prozessraumes zu testen, der sowohl für die Fällung als auch für Desintegration optimale Ergebnisse liefert. Hohe Anforderungen werden an die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit der Werkstoffe gestellt. Die Modellierung des Prozessfortschrittes im Prozessraum erfordert die Lösung eines diskreten Populationsbilanzsystems. Die Kinetikterme (Kerne) der Populationsbilanzgleichung werden mit den physikalischen und chemischen Grundvorgängen (u.a. Partikelentstehung durch Keimbildung und Partikelwachstum, Partikelagglomeration und Partikeldesintegration durch Deagglomeration und Bruch, Transportmechanismen, Stoß- und Haftwahrscheinlichkeiten der Partikel, Stabilisierung) verknüpft. Eine weitere Herausforderung des Projektes besteht darin, die Auftrennung der Einflüsse von Stoffeigenschaften (Produktqualität), Prozessgrößen (Prozessgüte) und Maschinenparametern zu erkennen, zu modellieren und hinsichtlich ihrer Eignung für die modellgestützte Prozessführung zu bewerten. Damit eröffnen sich neue verfahrenstechnische Optimierungsmöglichkeiten der makroskopischen Prozessparameter, wie z.B. Raum-Zeit-Ausbeute, notwendiger Energieeintrag und gleichmäßige Produktqualität.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen