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Projekt
Experimentelle Untersuchung und Modellierung von Koaleszenz und Agglomeration für die Sprühtrocknung von Suspensionen
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Martin Sommerfeld
Fachliche Zuordnung
Mechanische Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung von 2009 bis 2020
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 121820773
Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Modellierung von Tropfenkollisionen unter Bedingungen wie sie bei der Sprühtrocknung auftreten, also für Suspensions- und Lösungstropfen unterschiedlichen Trocknungsgrades. Folglich werden sowohl Kollision von viskositätsdominierten Tropfen und das Kollisionsergebnis als auch die Kollision von sehr hochviskosen Tropfen und deren Agglomeration untersucht, um die Produkteigenschaften, z.B. Partikelgrößenverteilung und Agglomeratstruktur, vorhersagen zu können. Die entwickelten Modelle werden in ein Euler/Lagrange Berechnungsprogramm implementiert, um damit eine Werkzeug zu schaffen welches für die Auslegung und Optimierung von Sprühtrocknern eingesetzt werden kann. Zur Verwirklichung dieses Ziels werden in der letzten Projektphase Messungen zur Kollision von Suspensions- bzw. Lösungstropfen mit sehr hohen Viskositäten bis zu ca. 6 Pas weitergeführt. Dazu wurden innerhalb der letzten Projektphase neue Tropfenerzeuger entwickelt, die in der Lage sind Tropfen mit derartig hohen Viskositäten zu erzeugen. In diesem Viskositätsbereich wird es zur teilweisen Penetration der Partikel kommen und es entstehen binäre Agglomerate. Die Penetrationstiefen werden mittels Hochgeschwindigkeitskameras gemessen und in Abhängigkeit der relevanten dimensionslosen Kenngrößen aufgetragen. Auf der Basis von umfangreichen Parameterstudien (Auftreffparameter, Kollisionsgeschwindigkeit und Viskositätsverhältnis) werden die Abhängigkeiten ermittelt und in einem Modellierungsansatz zusammengefasst. Auf dieser Grundlage wird das Penetrations- und Strukturmodell von Sommerfeld und Stübing (2012) entsprechend überprüft und angepasst.Die entwickelten Tropfenkollisionsmodelle als auch ein Trocknungsmodell werden dann in das vorhandene Euler/Lagrange-Programm (FASTEST/Lag 3D) implementiert. Zur Validierung der Berechnungen werden Messungen an dem überarbeiteten Laborsprühtrockner durchgeführt, in dem zwei Flachsprühdüsen mit variablem Abstand im Eintrittsquerschnitt installiert werden. Im Nahbereich (enger Abstand der Sprühdüsen) wird die Änderung der Tröpfchengröße aufgrund von Kollisionen (Koaleszenz und Separation) mittels optischer Messmethoden bestimmt. Da Flachstrahldüsen ein sehr dünnes Spray ausbilden, können optische Methoden, wie Hochgeschwindigkeitsaufnahmen für die Bestimmung aller wesentlichen Parameter, angewendet werden. Bei großem Düsenabstand findet die Wechselwirkung der Sprühnebel erst weiter stromab statt, also dort, wo die Tropfen schon zu einem großen Teil getrocknet sind. Die Agglomeratentstehung wird mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet und die Analyse der Agglomeratstruktur erfolgt am Ende der Messstrecke durch Probenahme. Nach erfolgter Validierung steht dann ein Berechnungsprogramm zur Verfügung, mit dem es möglich sein soll, die Produkteigenschaften für Sprühtrockner vorherzusagen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
