Dynamische Simulation technischer Fällprozesse

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Kind
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238118532

Die Fällungskristallisation ist eine wichtige Grundoperation vernetzter Feststoffprozesse. Die ausgeprägte Dynamik der Fällungskristallisation rührt aus dem komplexem Zusammenspiel schneller Primärvorgänge (Vermischung, Keimbildung, Wachstum, ...) mit den auf vergleichsweise langer Zeitskala ablaufenden Sekundärvorgängen (Agglomeration, Reifung, ...) und den instationären Betriebsbedingungen. Die industriell häufig eingesetzten Rührkesselapparate weisen Inhomogenität bezüglich Turbulenz, Strömungsgeschwindigkeit und Zusammensetzung auf. Dies erschwert deren rechnerische Beschreibung, so dass relevante Prozesszeiten (Minuten, Stunden) von technischen Fällungsprozessen nicht durch geschlossene Simulationsrechungen abgebildet werden können. Hybride Rechenmethoden sind notwendig. Übergeordnetes Ziel des auf sechs Jahre angelegten, grundlagenorientierten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer solchen hybriden Methode zur Simulation technischer Fällungsprozesse.Im Rahmen der laufenden zweiten Förderperiode ist ein hybrides Modell zur Fließschemasimulation für die Fällung im Rührkessel erarbeitet worden. Das Modell beruht auf einem Kompartment-Ansatz. Dabei wird das oben beschriebene komplexe System durch vernetze Bilanzräume (Mischungs- und Verweilzeitkompartments) mittels des vom Zentralprojekt des SPP 1679 bereitgestellten Rahmenprogramms Dyssol abgebildet. Dieser Ansatz ermöglicht eine Entkopplung der, im Bereich der Feedeinleitstelle ablaufenden, Primärprozesse von den komplexen Strömungs-/Verweilzeitbedingungen im Reaktor und den dort ablaufenden Sekundärprozessen. Die Zulässigkeit dieses Vorgehens konnte für einen Betriebspunkt durch experimentelle Nachstellung der Kompartmentstruktur in der laufenden Förderphase eindrucksvoll gezeigt werden.In der hier beantragten dritten Förderphase steht nunmehr die Erweiterung des Kompartmentmodells auf die gesamte Breite technisch relevanter Betriebsbedingungen im Vordergrund. Hierzu wird das Mischungskompartment als variabel parametrisierbare "Jet in Cross Flow"-Anordnung approximiert. Dabei werden neben der eigenen Methodik aus Förderphase 1 auch die Ansätze der AG Segets/Peukert einbezogen. Das numerische Modell der "Jet in Cross Flow"-Anordnung soll durch Fällungsexperimente und durch PIV/LIF-Messungen gesondert validiert werden. Die Untersuchung der prädiktiven Fähigkeiten des gesamten hybriden Modells erfolgt im Vergleich mit eigenen experimentellen Daten und mit Daten aus der Literatur. Die Vorhersage des Einflusses der Apparategröße (Scale-up) soll durch fluiddynamisch begründete Wahl der Austauschströme zwischen den Kompartments erfolgen. Die Übertragbarkeit auf unterschiedliche Stoffsysteme wird geprüft. Durch Verschaltung des so entstandenen Fließschemamoduls "Fällungsreaktor" mit dem Modul "Dekantierzentrifuge" (AG Nirschl) soll die Leistungsfähigkeit von Dyssol für einen vernetzten dynamischen Feststoffprozess mit Partikelrückführung demonstriert werden

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1679: Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse