Layer buildup and structure from drying deposited droplets

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Evangelos Tsotsas
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering ; Mechanical Process Engineering
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 398376893

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Das Hauptziel dieses Projektes war das Erlangen eines besseren Verständnisses des Übergangs vom Einzeltropfenrückstand zur Beschichtung. Besonderer Fokus sollte hierbei auf die Entwicklung der Morphologie und der Porosität gelegt werden. Im Zuge dieser Analyse sollte des Weiteren auch der Einfluss der Trocknungsbedingungen auf den Schichtaufbau weiter geklärt und entsprechende Trends für verschiedene Materialien gefunden werden. Die aus dem Schichtaufbau mit ruhenden Tropfen gewonnenen Erkenntnisse sollten im weiteren Verlauf mit Coating Experimenten in Sprühwirbelschichten verglichen werden. Wie geplant konnte die Entwicklung der beiden Kenngrößen Morphologie und Porosität beim Schichtaufbau durch die Experimente beobachtet werden. Dabei wurden für jedes Material charakteristische Entwicklungen der Kontur entdeckt. Hierzu gehören unter anderem die Bildung von konischen Grundstrukturen bei der Salzlösung, verästelte Strukturen bei Nanopartikeln, oder die auf eine breitere Partikelgrößenverteilung zurückzuführenden Erhebungen im Rückstandszentrum bei der getesteten Mikrosuspension. Die durchgeführte Weißlichtinterferometrie und Röntgen-Mikrotomographie brachten wie beabsichtigt Kenntnisse über die Schichtporosität. Obwohl auch hier für jedes Material charakteristische Entwicklungen identifiziert werden konnten, wurden vor allem übergreifende Trends festgestellt. Alle Materialien zeigten hohe Porositäten, was auf die starke Inklusion von Kavitäten zurückgeführt wurde. Auch die Addition von weiteren Rückständen führte bei allen Materialien zu einer Erhöhung der Porosität, da mehr Hohlräume eingeschlossen werden. Ein langsamer Trocknungsvorgang sorgte für geringere Porositäten, während scharfe Trocknungsbedingungen porösere Strukturen hervorbrachten. Der Vergleich mit Beschichtungen aus der Sprühwirbelschicht zeigte, dass auch hier ähnliche Trends zu erkennen sind. Jedoch sind die dort erstellten Beschichtungen generell dichter, was auf die Wirkung zusätzlicher Effekte, wie interpartikuläre Kollisionen, zurückzuführen ist. Die Frage nach der Verteilung der lokalen Trocknungsgeschwindigkeit auf der Tropfenoberfläche bei konvektiver Trocknung sollte mittels simulativer Studien beantwortet werden. Die durchgeführten CFD-Simulationen von trocknenden Tropfen und Tropfenpaaren unter erzwungener Konvektion brachten wie geplant Erkenntnisse über das Trocknungsprofil. Es zeigte sich hierbei, dass die Verteilung auf die Anströmseite verschoben wird und dort ein neues lokales Maximum bildet. Für etwaig enthaltene Feststoffe bedeutet dies ein verstärktes Akkumulieren auf der Anströmseite und korrespondierend asymmetrische Rückstände; ein Effekt der jedoch für nachfolgende Tropfen bei gleichzeitig trocknenden Paaren abgeschwächt ist. Zusammenfassend ist zu sagen, dass das Projekt, wie ursprünglich beabsichtigt, weitere Einsicht in den Vorgang der konvektiven Trocknung und inkrementellen Schichtbildung ruhender Tropfen bringen konnte. Die grundlegenden Kenntnisse bezüglich des Übergangs initialer Tropfenablagerungen zu komplexen Beschichtungen wurden somit deutlich erweitert. Obwohl der direkte Vergleich mit technischen Prozessen wie der Wirbelschicht weiterhin mit Vorsicht gezogen werden muss, können die im Zuge dieses Projektes erworbenen Erkenntnisse zur verbesserten Prozesssteuerung und Prozessentwicklung genutzt werden.

Publications

• (2019): Direkte numerische Simulation der Trocknung liegender Wassertropfen unter variierenden konvektiven Bedingungen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Mischvorgänge, Trocknungstechnik und Wärme- und Stoffübertragung. Essen, Deutschland,18.−20. März, 2019
  Janocha, M.; Tsotsas, E.
  
• (2019): Structure analysis of sodium benzoate layers from dryed deposited droplets. 9th International Granulation Workshop. Lausanne, Schweiz, 26.−28. Juni, 2019
  Janocha, M.; Tsotsas, E.
  
• (2021): Analysis of drying parameter effects on porosity evolution during successive layer build-up from dried deposited droplets. In: Proceedings of the 13th International Conference on Fluidized Bed Technology (CFB13). Vancouver, Kanada, 10.−14. Mai, 2021. ISBN: 978-1-77136-850-6
  Janocha, M.; Tsotsas, E.
  
• (2021): In silico investigation of the evaporation flux distribution along sessile droplet surfaces during convective drying. In: Chemical Engineering Science 238, 11659
  Janocha, M.; Tsotsas, E.
  
• (2021): In-depth investigation of incremental layer build-up from dried deposited droplets. In: AIChE Journal 2021, e17445
  Janocha, M.; Tsotsas, E.
  
• (2021): Untersuchung der Trocknungsgeschwindigkeitsverteilung auf der Oberfläche ruhender Tropfen unter konvektiven Bedingungen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Hochdruckverfahrenstechnik und Trocknungstechnik mit dem Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Phytoextrakte. Frankfurt, Deutschland,15.−16. März, 2021
  Janocha, M.; Tsotsas, E.
  
• (2022): Coating layer formation from deposited droplets: A comparison of nanofluid, microfluid and solution. In: Powder Technology 2022, 117202
  Janocha, M.; Tsotsas, E.