Systematische Studien zur Schaumprävention und -inhibierung durch Identifikation von Grenzflächen-Nichtexistenz-Domänen und ihre Realisierung mittels adaptiver Gestaltung von Kolonnenfüllkörpern und -packungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Antonio Delgado
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408062554

Es beabsichtigt, zur Schaumprävention und -inhibierung durch systematische experimentelle und simulative Studien zu lokalen thermofluiddynamischen Vorgängen in „funktionswirksamen“ Kolonneneinbauten der Feinchemie sowie Lebensmittel- und Getränketechnologie beizutragen. Im Mittelpunkt stehen Kolonnenfüllkörper und -packungen, die dem effektiven Transport von Stoff und thermischer Energie zwischen zumeist einem Gas und einer Flüssigkeit etwa in Extraktions-, Absorptions-, Destillations- und Rektifikationsgegenstromkolonnen dienen. Während das Gas vom Kolonnenboden zum -deckel strömt, fließt die Flüssigkeit in Gegenrichtung als Rieselfilm, Rinnsal oder Tropfen entlang der Einbautenoberflächen. Dabei kommt es regelmäßig zur Bildung unerwünschten Schaums. Chemische Schauminhibitoren scheiden aus, da sie die Reinheit chemischer Produkte sowie von Lebensmitteln und Getränken gefährden. Die hier geplanten Studien setzen eine rein mechanische Schaumentstehung auf der Längenskala einzelner Füllkörper oder Packungselemente voraus. Den Schwerpunkt der geplanten systematischen Untersuchungen bildet die Prävention und Inhibierung unerwünschter Schäume durch passive physikalische Maßnahmen, die auf einer Identifikation von Domänen beruhen, in denen Gaseinschlüsse und somit Schäume nicht existieren können. Dieser Zustand liegt dann vor, wenn die Nettoschaumbilanz negative und die (verallgemeinerte) Deborah-Zahl sehr hohe Werte annimmt. Die vorgeschlagene Identifikation der Nichtexistenz-Domäne postuliert, dass kapillarmechanische Effekte bei der Stabilität von Grenzflächen und somit beim Einschluss von Gasen eine wesentliche Rolle spielen. Die Untersuchungen starten mit dem statischen Fall mit Elementen der nullten Entwicklungsstufe, die auf Lösungen der Gauß-Young-Laplace-Gleichung für die freie Grenzfläche beruhen, die nur in bestimmten Domänen existiert. Hierunter fallen kapillardominierte Grenzflächen, die eine hohe Stabilität aufweisen, wodurch die Bildung eines Gaseinschlusses stark vermindert oder ganz verhindert wird. Im Rahmen einer vorgeschlagenen Theorie lassen sich Strömungen in den Rieselfilmen und Rinnsalen als Störungen des statischen Gleichgewichtes ansehen. Durch Überprüfung des Energieniveaus und der Stabilität der Grenzfläche lässt sich die Neigung zur Bildung neuer Grenzflächen abschätzen, wie dies Schäume grundsätzlich erfordern. Dies gilt sowohl für den laminaren als auch für den turbulenten Zustand, wofür die Literatur entsprechende Kriterien liefert. Es besteht die Absicht, auf der Grundlage der zu erarbeitenden Erkenntnisse und Methoden hinsichtlich des passiven Schaummanagements neue funktionswirksame Kolonneneinbauten virtuell zu designen und experimentell zu testen. Der dabei notwendigen mathematischen Optimierung in iterativen Entwicklungszyklen dienen Pareto-basierte Genetische Algorithmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen