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Spreitverhalten von Pasten: von Partikeln zu Anwendungseigenschaften

Fachliche Zuordnung Mechanische Verfahrenstechnik
Förderung Förderung von 2019 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431419392
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Pasten sind hochkonzentrierte Partikelsuspensionen und spielen eine große Rolle bei der Herstellung von Produkten in der Chemie- und Lebensmittelindustrie. Ziel dieses Forschungsvorhabens war, die komplexen rheologischen Eigenschaften der Pasten mit physikalisch-basierten Modellen zu beschreiben, um das Spreitverhalten durch Einsatz mechanischer Schwingungen vorhersagen zu können. Hierfür wurde in dem Kooperationsprojekt das Spreitverhalten von Pasten mit experimentellen und numerischen Methoden untersucht. Es wurden neue Messmethoden zur Bestimmung der partikulären Wechselwirkungen im Fluid entwickelt, um Parameter der Kontaktmodelle für die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) zu ermitteln. Unter anderem wurde der Einfluss des Fluides und der Oberflächenrauheit von Partikeln und Apparatewänden auf die Stoßzahl von Mikropartikeln experimentell untersucht und das Davis-Modell für die „wet“ Stoßzahl als Funktion der Stokes-Zahl mit messbaren Parametern der Oberflächenrauheit erweitert. Des Weiteren wurde für die Parameterbestimmung und Validierung der DEM eine neue Methodik entwickelt, um Markierungspunkte auf Mikropartikeln für die Rotationsbestimmung aufzubringen. Die Kalibrierung von Reib- und Kohäsionsparametern konnte über Schüttwinkelmessungen im Fluid realisiert werden. Das rheologische Verhalten von partikulären Pasten wurde experimentell mit Rheometermessungen und numerisch mit gekoppelten CFD-DEM-Simulationen untersucht. Hierfür wurden die Fließfunktionen von Pasten aus Glycerin und Glaskugeln, sowie Pasten mit Al2O3- und TiO2-Partikeln bei unterschiedlichen Partikelkonzentrationen ermittelt. Durch die gekoppelten CFD-DEM-Simulationen konnte das thixotrope Fließverhalten der Pasten auf die Partikelbewegung und -segregation zurückgeführt werden. Das Spreitverhalten von Glaskugeln auf einer vibrierenden Platte wurde für den trockenen Fall und für Pasten untersucht. Im trockenen Fall hängt der finale Schüttwinkel von der eingebrachten Vibrationsenergie ab. Durch Erhöhung der Amplitude stellt sich der stationäre Schüttwinkel schneller ein. Die DEM- Simulationen zeigten, dass während der Vibration ein Scherband am äußeren Bereich des Haufwerkes entsteht, welches zur tangentialen Partikelbewegung führt. Die Untersuchungen der Pasten unter Vibration ergaben, dass mit steigendem Fluidgehalt die aufzubringende mechanische Schwingungsenergie abnimmt, um ein Spreiten der Paste zu erreichen. Durch die Implementierung eines neuen Flüssigkeitsbrückenmodells in die DEM, welches das dynamische Flüssigkeitsbrückenverhalten beschreibt, konnte das Spreitverhalten aus dem Experiment reproduziert und das Kontaktverhalten der Partikeln während der Vibration untersucht werden. Basierend auf den Simulationen war es möglich, die minimale Schwingungsenergie zu ermitteln, bei der die Spreitung der Paste beginnt.

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