Untersuchungen zur Messung der relevanten Strömungsbedingungen für die Deformation und den Aufbruch von Tropfen beim Hochdruckhomogenisieren mit Blenden und zur Skalierbarkeit der Methoden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Heike Karbstein; Professor Dr. Christian Joachim Kähler; Professor Dr. Peter Walzel
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265685259

Trotz jahrzehntelanger industrieller Anwendung der Hochdruckhomogenisation zur Herstellung von Emulsionen sind die Mechanismen, welche zum Tropfenaufbruch führen im Detail noch nicht charakterisiert. Daher beruhen Verbesserungen der Zerkleinerungseinheiten (Blenden, Ventile) heute noch hauptsächlich auf erfahrungsbasiertem Versuch und Irrtum. Gründe hierfür sind das hochkomplexe Strömungsfeld, welches in den Zerkleinerungseinheiten vorliegt und die zum Tropfenaufbruch benötigten Spannungen überträgt, hohe Prozessdrücke und Strömungsgeschwindigkeiten, Kanaldurchmesser im Mikrometerbereich sowie die Mehrphasigkeit der betrachteten Systeme. Dies stellt große Anforderungen an die Messtechnik.Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes ist es, die Strömungsbedingungen und physikalischen Mechanismen des Tropfenaufbruches bei der Hochdruckhomogenisation unter möglichst realistischen Bedingungen mit hochgenauen, optischen Messmethoden auf Basis von PIV und µPIV zu untersuchen und aufzuklären. In dem hier beantragten Projekt sollen zunächst ausschließlich einphasige newtonsche, nicht kavitierende Strömungen untersucht werden. Der Fokus liegt auf der Betrachtung von Einzeltropfen (Dispersphasenanteil DPA << 1%) bei unbelegter Grenzfläche. Da sich im realistischen Maßstab einige Prozesse messtechnisch nicht vollständig auflösen lassen, müssen einzelne Fragestellungen in skalierten Maßstäben (M = 5 und 50) untersucht werden. Dieses Vorgehen erlaubt damit auch, die Skalierbarkeit des Tropfenaufbruchs und so diesen methodischen Ansatz überprüfen zu können.Die Untersuchungen im praxisnahen Mikromaßstab (M = 1 bzw. Blendendurchmesser d = 0,2 mm) sowie in einem skalierten Mesomaßstab (M = 5 bzw. d = 1 mm) werden am KIT in Karlsruhe durchgeführt. Hier wird die langjährige Erfahrung in der Emulgiertechnik genutzt, um Strömung und Tropfenaufbruch systematisch zu untersuchen. Variiert werden die Parameter Reynoldszahl, Blendengeometrie, Größe und Ausgangsposition der Tropfen, sowie die Stoffparameter Viskosität der Phasen und Grenzflächenspannung. Einzelne Aspekte sollen zusätzlich im skalierten Makromaßstab (M = 50 bzw. Blendendurchmesser d = 10 mm) an der UniBw in München untersucht werden. Hier wird insbesondere das Knowhow im Bereich der Messtechnik und Strömungsmechanik genutzt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der de-taillierten Erfassung der Zerkleinerungsmechanismen von Tropfen bei ausgewählten Parametern und der Quantifizierung der Tropfenform und Dynamik.Mit diesem Forschungsvorhaben sollen Grundlagen gelegt werden, um anhand von Randbedingungen wie stofflichen, prozesstechnischen und geometrischen Parametern die resultierende Tropfengrößenverteilungen vorhersagen zu können. Zur Beschreibung werden im Projekt erste Zerkleinerungsfunktionen herangezogen. Langfristig können diese auch helfen, Hochdruckemulgierprozesse gezielt zu verbessern z.B. im Hinblick auf die Selektivität und Ausbeute eines Stoffes oder den benötigten energetischen Aufwand.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen