Mehrskalige Beschreibung der Agglomeration und Desagglomeration in Wirbelschichten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Heinrich
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438775980

Wirbelschichten werden in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie eingesetzt und eignen sich aufgrund des sehr guten Wärme-, Stoff- und Impulstransports besonders für Prozesse mit Flüssigkeitseinsprühung zum Granulieren und Beschichten von Partikeln. Wenn die Partikel durch die Flüssigkeit nicht schichtweise wachsen, sondern zusammenhaften, findet eine Agglomeration von brombeerartigen Partikeln statt. Bei der Herstellung von porösen Lebensmittelpulvern ist diese erwünscht, bei der Beschichtung von pharmazeutischen Substanzen jedoch untolerierbar. Alternativ zur Agglomeration mit einem flüssigen Bindemittel kann Partikeladhäsion bei amorphen Partikeln, die eine Glasübergangstemperatur aufweisen, durch Temperaturerhöhung erfolgen. Wenn die Prozesstemperatur nahe der Glasübergangstemperatur ist, kann die Partikeloberfläche der visko-elastischen Materialien gummiartig werden und bei einer Kollision zur Agglomeratbildung führen. Unabhängig von dem zugrundeliegenden Mechanismus bestimmt das Ausmaß der Agglomeration das Strömungsverhalten sowie die Produktqualität und morphologie. Daher soll im Projekt ein bisher in der Literatur fehlendes, fundamentales Verständnis der Agglomerations- und Desagglomerationsphänomene gewonnen werden. Die Ergebnisse werden eine bessere Vorhersage und Steuerung von Wirbelschichten ermöglichen und die Prozessleistung erhöhen. Es wird ein mehrskaliger experimenteller Versuchsaufbau verwendet, der um numerische Untersuchungen erweitert wird.Für Einzelpartikelversuche wird der im Rahmen eines vorherigen DFG-Projektes (HE 4526/9-1, HE 4526/9-2) installierte experimentelle Aufbau hinsichtlich Agglomerationsuntersuchungen erweitert und es werden die dynamischen Desagglomerationsvorgänge während der Kollisionen mit Wänden und Partikeln betrachtet. Die zunächst bei Umgebungsbedingungen durchgeführten Experimente sind hinsichtlich des Einflusses des Wärme- und Stoffübergangs zu erweitern. Es werden Modellpartikel und industriell relevante, visko-elastische Materialien eingesetzt. Versuche am Einzelpartikel werden anschließend auf reale Wirbelschichtversuche übertragen. Neben der Abhängigkeit der Prozessparameter soll insbesondere der Einfluss auf das Strömungsverhalten durch Betrachtung der unterschiedlichen Orts- und Zeitskalen erfasst werden. Durch Vergleich der Strömungsmuster und Partikelgrößenverteilungen der Agglomerate mit Hilfe digitaler Bildauswertung wird zudem erstmalig ein Betriebsdiagramm erstellt, dass die Grenzen der Partikelagglomeration für verschiedene Stoffsysteme aufzeigt. Um Agglomeration und Desagglomeration mittels CFD-DEM abbilden zu können, muss der Einfluss von Flüssigkeitsbrücken auf das System in das Model integriert werden. Nach der Validierung mit experimentellen Daten sollen die Simulationsergebnisse genutzt werden, um Agglomerationskernel für das dynamische Fließschemasimulationstool DYSSOL zu generieren, das im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1679 entwickelt wurde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartner: Dr.-Ing. Niels G. Deen; Professor Dr. J.A.M. Hans Kuipers