Inline-Messung von partikulären Eigenschaften

Inline-Messung der Partikelgrößenverteilung mittels Sehnenlängentransformation

In vielen Anwendungen der Wirbelschichttechnik stellt die Partikelgröße eine herausgehobene Eigenschaft des zu produzierenden Guts dar. Die Größe von Wirbelschichtprodukten wie Granulaten und Agglomeraten beeinflusst direkt das mechanische Schüttgutverhalten (wichtig für Förderung),  die Mischbarkeit sowie das Lösungsverhalten, beispielsweise von instantisierten Lebensmitteln. Darüberhinaus wirkt die Partikelgröße als prozessinterne Größe auf den Prozessverlauf, da die Wachstumskinetik der Partikel als auch ihre Fluidisation davon abhängen.

Der in den letzten Jahren erzielte Fortschritt im Bereich der Mikroelektronik, Materialwissenschaften sowie Signaltechnik führte zur Entwicklung hoch integrierter faseroptischer Sondensysteme. Diese arbeiten auf der Grundlage von Lichtabschattung (Projektion) in optischen Gittern oder Rückstreuung und erlauben die Messung von Konzentrationen, Partikelgeschwindigkeiten und Partikelgrößenverteilungen in dispersen Medien wie bei der Kristallisation, in Wirbel- und Strahlschichten und in Emulsionen oder Suspensionen.

Zur Steuerung und Regelung der Produkteigenschaften (Partikelgröße und -feuchte)  in partikelbildenden Prozessen wird eine faseroptische Sonde der Firma Parsum erprobt. Die Partikelsonde zeichnet sich im Gegensatz zu herkömmlichen Messverfahren (offline) durch eine hohe Messrate und geringe Beeinflussung des Prozesses aus, was sie für den Einsatz in Regelkreisen prädestiniert. Wie die Mehrzahl aller inline-Messsysteme ist die Partikelsonde auf die dynamische Erfassung (inline) der Sehnenlängenverteilungen beschränkt. Im dargestellten Messprinzip wird die Ursache dafür deutlich: Ähnlich dem Prinzip einer Lichtschranke fallen die Partikel isokinetisch durch ein faseroptisches Gitter, das durch einen LASER beleuchtet wird. Dabei erzeugt jedes Partikel eine Abschattungssequenz, wodurch seine Geschwindigkeit berechnet werden kann. Anschließend wird in einer Einzelfaser die genaue Dauer der Abschattung erfasst und zusammen mit der Partikelgeschwindigkeit daraus eine Partikelgröße berechnet. Da die Partikel sich in beliebiger Orientierung und mit einem zufälligen Offset an der Einzelfaser vorbeibewegen, werden zufallsverteilte Partikelgrößen, also Sehnenlängen, erfasst. Aufgrund dieser stochastischen Eigenschaft der Sehnenlängen erfüllen diese keine Massenbilanzen und sind wiederum für Modell basierte Regelungen ungeeignet. Daher werden mittels speziell entwickelter Algorithmen die Sehnenlängenverteilungen in Echtzeit direkt in die Partikelgrößenverteilung transformiert.

Die Anwendbarkeit dieser Technik wurde für Granulations- und Coatingprozesse bereits validiert. Hierfür wurden während des Prozesses in regelmäßigen Intervallen offline-Proben entnommen und in einem digitalen Partikelgrößenanalysator (Retsch GmbH) untersucht.

      


Einfluss der Partikelform auf die Sehnenlängenverteilung

Eine besondere Herausforderung bei der Transformation der Sehnenlängenverteilung von Partikeln in zufallsunabhängige Kenngrößen wie den Durchmesser, maximalen Feret-Durchmesser u. a. stellt der Einfluss der Partikelform auf die Sehnenlänge dar. Eine für die Echtzeit-Transformation notwendige analytische Lösung existiert nur für wenige einfache Partikelformen wie Kugel, Ellipsoid und Quader. Da in einer Vielzahl von Prozessen aus der Praxis asphärische Partikel gebildet werden, liegt ein Hauptaugenmerk auf der Erweiterung der Transformation auf unregelmäßig geformte Partikel. Hierzu zählen mit ihrer hohen industriellen Relevanz auch die Agglomerate.  Mit Hilfe von Agglomeratmodellen mit einstellbaren Eigenschaften werden typische Sehnenlängenverteilungen generiert und daraus ableitbare charakteristische Kenngrößen ermittelt. Ziel der Untersuchungen ist eine allgemeingültige Inversion der Agglomeratsehnenlängen und dynamische Formwachstumsmodelle zu entwickeln, wodurch eine bilanztreue inline-Messung und somit Regelung für diesen Prozesstyp möglich wird.


Inline-Messung der Partikelkonzentration und -geschwindigkeit

Das faseroptische Sondenmesssystem QRV (BASF AG) nutzt das Prinzip der Rückstreuung belichteter Partikel und erlaubt die Erfassung von Feststoffkonzentrationen und Partikelgeschwindigkeiten in dispersen Medien. Das System wird zur Untersuchung des Blasenbildungsverhalten und der Porositätsverteilung in Wirbelschichten verwendet. Durch eine systematische „Kartierung“ der Wirbelschicht können funktionale Zonen hinsichtlich der lokalen Partikelgeschwindigkeit und -konzentration identifiziert und abgegrenzt werden. Diese sind besonders im Sprühkegel in Wirbelschichten als auch in Strahlschichten von besonderem Interesse, da hier auf die Partikel eigenschaftsrelevante Mechanismen wirken. So lässt sich durch Kenntnis der Verweilzeit der Partikel innerhalb des Sprühkegels die Bindungseffektivität der Tropfen ermitteln.
       

Das Forschungsvorhaben wird im Rahmen des Förderprogrammes „InnoProfile-Transfer“ der BMBF Innovationsinitiative Neue Länder „Unternehmen Region“ gefördert.

Kontakt

Dipl.-Ing. Christian Fischer


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