Einbeziehung der Strukturentstehung von Agglomeraten in CFD-Methoden zur Berechnung von Produkteigenschaften
Final Report Abstract
Das vorliegende Projekt diente der Erweiterung eines numerischen Modells zur Beschreibung von Kollisionsvorgängen in Sprühtrocknern. In Sprühtrocknern werden Lösungs- oder Suspensionstropfen durch Verdampfung des Lösungsmittels in einen trockenen Zustand überführt. Dabei nehmen die Partikel unterschiedliche Trocknungszustände an, die durch Viskosität, Dichte, Feststoffkonzentration und Temperatur gekennzeichnet sind. Das Ergebnis einer Kollision wird durch die Partikeleigenschaften maßgeblich bestimmt. Während Kollisionen von Tropfen zu einer vollständigen Koaleszenz oder zum erneuten Trennen der stoßenden Partikel führen können, werden bei hochviskosen Partikelstößen unterschiedliche Penetrationstiefen erreicht. Somit führen diese Kollisionen zur Bildung strukturierter und haltbarer Agglomerate. Die Erweiterung des Kollisionsmodells, das die Penetration stoßender Partikel beschreibt, beinhaltet die Charakterisierung der entstehenden Agglomeratmorphologien. Um die Agglomeratstruktur beschreiben zu können, müssen die Positionen aller agglomeratbildenden Primärpartikel bekannt sein. Durch Speichern der Lagevektoren in einer speziellen Datenstruktur, ist die Bestimmung verschiedener Strukturparameter möglich. Die Porosität wird mit Hilfe der konvexen Hülle, die jedes Agglomerat umgibt, berechnet. Dazu wird das Volumen der konvexen Hülle sowie das der Primärpartikel abzüglich des Überlappungsbereichs durch die Penetration bestimmt. Die Porosität wird dann angegeben als Hohlraumvolumen bezogen auf das Gesamtvolumen der Hülle. Neben der Porosität ist auch die freie Oberfläche ein interessanter Parameter. Mit Hilfe einer Diskretisierung äquidistant über die Oberfläche aller Primärpartikel wird der Teil der Partikeloberfläche, der aufgrund von Penetration in einem anderen Partikel steckt, identifiziert und die freie Oberfläche berechnet. Weitere wichtige Strukturparameter zur Charakterisierung der Agglomerate sind die Sphärizität, sowie der Trägheitsradius. Ebenso wird die fraktale Dimension der Agglomerate durch das Modell berechnet. In ersten Testrechnungen wurden durch Vorgabe unterschiedlicher Viskositäten durchgeführt, um die Plausibilität des Modells zu prüfen. Eine Tropfenverdampfung wurde zunächst also nicht berücksichtigt. In einer homogenen isotropen Turbulenz wurden 100 µm Primärpartikel für 1 s verfolgt und Partikel-Partikel-Kollisionen simuliert. Durch Vorgabe verschiedener Viskositäten ist deren Einfluss auf die Penetrationstiefen untersucht worden. Am Ende der Simulationszeit wurden die entstandenen Agglomerate hinsichtlich ihrer Struktur charakterisiert und verschiedene Strukturparameter ermittelt. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass das erweiterte Agglomerationsmodell in der Lage ist, industriell relevante Sprühtrocknungsprozesse und dort entstehende Agglomerate zu berechnen. In weiteren Rechnungen müssen einzelne Modellteile, wie die Penetration viskoser und hochviskoser Partikel, anhand von Experimenten validiert werden. Dazu sollen Ergebnisse aus einem anderen Projekt innerhalb des Schwerpunktprogramms „Process-Spray“ genutzt werden. Neben Ergebnissen aus Tropfenkollisionen sollen Messungen an zwei wechselwirkenden Sprühnebeln für die Überprüfung der Modelle genutzt werden. Die Anwendbarkeit des Modells auf reale Sprühtrockner wird anhand von experimentellen Daten geprüft werden.
Publications
- Lagrangian modeling of agglomerate structure. Proceedings of the 6th International Conference on Multiphase Flow, ICMF2007, Leipzig, Germany, Paper No. S2_Thu_A_47 (2007)
Stübing, S. and Sommerfeld, M.
- Lagrangian modelling of agglomerate structures in a homogeneous isotropic turbulence. Proceedings of the 7th International Conference on Multiphase Flow, ICMF2010, Tampa, Fl., USA, Paper No. 11.7.3 (2010)
Stübing, S. and Sommerfeld, M.
