Reinigungsmechanismen immergierter Systeme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl; Professor Dr.-Ing. Jens-Peter Majschak; Professor Dr.-Ing. Stephan Scholl
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326771530

Bei der Reinigung von Prozessanlagen liegt häufig ein immergiertes System vor. Der Reinigungsvorgang ist hierbei ein komplexes Zusammenwirken von Grenzflächeninteraktionen, Stoffübergang, Wärmeübergang, fluidischen Kräften sowie chemischen Reaktionen, welche bis zum heutigen Zeitpunkt nicht vollständig verstanden ist. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, grundlegende Erkenntnisse über die Wirkzusammenhänge bei der Reinigung immergierter Systeme zu erzielen. Als repräsentatives Stoffsystem soll Molkeprotein in Form von WPI-Gel verwendet werden. Das Forschungsvorhaben gliedert sich in drei Projektteile. Im ersten Projektteil sollen anhand von Charakterisierungsmethoden alle reinigungsrelevanten Materialeigenschaften und deren Änderung in Abhängigkeit von der Reinigungsmitteltemperatur und -konzentration bestimmt werden (viskoelastische Festigkeits¬kennwerte, Diffusionskoeffizienten, Oberflächentopografie, Adhäsions- und Kohäsionskräfte). Diese Materialparameter dienen im zweiten Projektteil als Datenbasis für die Erstellung eines kontinuumsmechanischen FEM-Modells der Verschmutzungsschicht. Dieses wird mit der fluiden Phase zu einem Fluid-Struktur-Interaktion-Modell (FSI-Modell) gekoppelt, so dass mit Hilfe von numerischen Simulationen der Reinigungsprozess nachgebildet werden kann. Um das FSI-Modell zu validieren und weiterzuentwickeln, werden im dritten Projektteil Reinigungsversuche mit zwei etablierten Methoden (Fluid Dynamic Gauging (FDG), Local Phosphorescence Detection (LPD)) durchgeführt. Die FDG-Methode ermöglicht hierbei die Auflösung der drei Phasen eines Reingungsprozesses, Quell-, Plateau- und Abklingphase. In Kombination mit einem Partikelgrößenmessgerät kann die Größe der abgetragenen Partikel ermittelt werden. Mithilfe der LPD-Methode ist es möglich, lokal die Reinigungszeit in verschiedenen Strömungsgeometrien unter laminaren und turbulenten Strömungsbedingungen zu bestimmen. Durch Korrelation der spezifischen Leuchtintensität der Verschmutzungsschichten mit deren Schichtdicke sollen neben der Reinigungszeit auch die Abtragungsrate sowie die zeitliche Änderung der Schichtdicke gemessen werden. Die Modellierung wird entsprechend weiter entwickelt und basierend auf diesem FSI-Modell kann eine zielgerichtete, systemspezifische Reinigungsstrategie entworfen und validiert werden. Weiterhin steht dann ein etablierter methodischer Ansatz aus Experiment und Simulation zur Verfügung, der auf beliebige Verschmutzungssysteme ähnlicher stofflicher Konsistenz angewendet werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen