Partikeldynamiken in der Wirbelschicht
Die Dynamik partikulärer Mehrphasenströmungen in Wirbelschichtapparaten stellt einen äußerst komplexen Vorgang dar, welcher unmittelbaren Einfluss auf die Eigenschaften und Qualität der pulverförmigen Produkte der Pharma-, Lebensmittel- oder auch Düngemittelindustrie hat.

Die Bestimmung von Partikelgeschwindigkeiten und zugehörigen Partikelkonzentrationen stand im Zentrum des Forschungsinteresses der ersten Förderperiode der NaWiTec. Mit Hilfe von optischen Messverfahren (faseroptische Sonde, Particle Image Velocimetry-PIV) konnten Rückschlüsse auf Schichtexpansion, Partikelbelastung, Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und andere Systemparameter gezogen werden. Die hierfür verwendeten Versuchsstände sind in Abbildung 1 dargestellt. Allerdings waren die Untersuchungen begrenzt auf monodisperse Partikelsysteme, da zunächst die Übertragbarkeit von Erkenntnissen aus Versuchen an einer quasi 2D-Wirbelschichtanlage, auf das Verhalten in realen 3D Wirbelschichten zu prüfen war.


                    
  (a)                                                                                            (b)
Abbildung 1: (a) Flache, transparente Wirbelschicht mit Hochgeschwindigkeitskamerasystem und (b) zylindrische Wirbelschicht mit angedeuteten Messstellen für die faseroptische Sonde
 
Die sehr erfolgreichen experimentellen Arbeiten zur Bestimmung von Systemparametern für die Granulation, im Besonderen die Ermittlung von Partikelverweilzeiten werden auch in der zweiten Förderperiode weitergeführt, wobei drei wesentliche Veränderungen umgesetzt werden.
  1. Im Fokus der Untersuchungen stehen nun polydisperse Partikelsysteme, in welchen sich die Partikel hinsichtlich ihrer Größe, Form und ihrem viskosen Verhalten unterscheiden können. Die systematische Untersuchung zur Veränderung dieser drei Eigenschaften und deren Auswirkung auf die Partikeldynamik stellt einen immensen Wissensgewinn dar. Es werden realitätsnahe Phänomene wie zum Beispiel ungleichmäßiges Wachstum bei der Granulation oder die Entstehung inhomogener Agglomerate nachgebildet. Eine bestimmte Zusammensetzung des Systems aus großen, mittleren und kleinen Partikeln, die einem gewissen Prozessfortschritt entspricht, kann dem Forschungsschwerpunkt „Formulierung strukturierter Partikel in Wirbelschichten“ entnommen werden. Gleiches gilt für Partikelsysteme mit verschiedenen Formen, wobei kugelförmige, ellipsoide und stäbchenförmige Partikel berücksichtigt werden. Die Betrachtung veränderlicher viskoser Eigenschaften, wie beim Glasübergang zu beobachten, stellt einen komplett neuen Forschungsaspekt innerhalb der NaWiTec dar. Damit sollen in erster Linie Erkenntnisse gewonnen werden, die im Bereich der Lebensmittelindustrie relevant sind.
  2. Die Veränderungen innerhalb des Partikelsystems ziehen direkt Veränderungen der Apparatekonfiguration nach sich. So ist Segregation infolge von Größen- oder Formverteilungen im Partikelsystem möglichst zu vermeiden. Um dies zu gewährleisten, können beispielsweise verschiedene Konzepte zur heterogenen Fluidisierung/Anströmung erprobt und umgesetzt werden. Darüber hinaus werden geometrische Konfigurationen des Apparats oder auch die Düsenpositionierung zur optimalen Prozessgestaltung (ideale Partikelbewegung mit einstellbaren Verweilzeiten in Sprüh- und Trocknungszone) genutzt. Noch gravierender können die Auswirkungen beim Glasübergang sein, wo ein Kollabieren der Wirbelschicht infolge von kompletter Verklumpung der Partikel zwingend zu vermeiden ist. Als Einflussparameter spielen sowohl die Feuchtigkeit als auch die Temperatur eine entscheidende Rolle. Entsprechende Konzepte zur Regulierung der Feuchtigkeit und auch das gezielte Einstellen von Temperaturzonen innerhalb der Wirbelschicht sollen hinsichtlich ihres Potentials zur Gewährleistung der gewünschten Prozessbedingungen untersucht werden.
  3. Die Verwendung alternativer Messtechnik und die Optimierung vorhandener Messsysteme runden das Forschungsvorhaben auf der experimentellen Seite ab. Speziell die Verwendung von optischer Messtechnik zur Erfassung individueller Partikel und deren lokaler Eigenschaften wie sie die Particle Tracking Velocimetry (PTV) ermöglicht, sollen hier zunächst erprobt und dann auf die verschiedenen Konfiguration angewendet werden. Auch die Bestimmung komplexer dynamischer Eigenschaften, wie zum Beispiel die Rotation der Partikel soll hier realisiert werden. Damit ist eine noch detailliertere Beschreibung der Partikeldynamik und der resultierenden Beeinflussung der Produkteigenschaften möglich.
Ergänzend zu den experimentellen Arbeitern werden gekoppelte Strömungs- und Partikelsimulationen durchgeführt. Diese liefern wichtige Einblicke in die ablaufenden Mikroprozesse und ermöglichen die Bestimmung von Kollisionshäufigkeiten und Kollisionsenergien für Partikel-Partikel, Partikel-Wand oder Partikel-Tropfen-Kontakt. Diese Informationen sind besonders wertvoll für die „Modellierung der Partikelbildung“, welche auf eine genaue Beschreibung der Mikroprozess aufbaut.

Zudem lassen sich Aussagen über Benetzung- und Agglomerationswahrscheinlichkeiten ableiten. Um diese Parameter abschätzen zu können werden die Partikel- und Fluidströmungen in der Wirbelschicht mit numerischen Simulationswerkzeugen berechnet. Neben kommerziellen Programmen wie Ansys, Fluent® für die Gasströmung und EDEM® zur diskreten Betrachtung von Partikeln und Flüssigkeitstropfen, sollen in der zweiten Förderperiode auch open source Programme eingesetzt werden. Diese bieten den Vorteil in großen Parallelsimulationen Prozesse mit realen Partikelanzahlen von mehreren Millionen berechnen zu können.
Die Berechnungsmethoden zur Strömungs- und Partikelsimulation werden mit Hilfe einer Euler-Euler Kopplung hinsichtlich Momentenaustausch sowie Impuls- und Energieerhalt zusammengeführt. Die erhaltenen Ergebnisse der Simulationen ermöglichen Rückschlüsse auf die sich gegenseitig beeinflussenden Phasen.

Die Ergebnisse für die Simulation einer Wirbelschicht im Top-Spray Verfahren mit berücksichtigter Düse im oberen Bereich der Schicht ist in Abbildung 2 abgebildet, bzw. als Video am Ende der Seite zu sehen.



             
  (a)                                                                                 (b)
Abbildung 2: Gekoppelte CFD-DEM Simulationen des (a) Wirbelschicht Top-Spray Prozesses und (b) der Tropfenverteilung aus der Zweistoffdüse

 

 

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

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M.Sc. Zhaochen Jiang
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