Projekte

Eine entscheidende Komponente bei der Entwicklung von DEM/CFD-Rechenwerkzeugen zur Beschreibung des thermochemischen Verhaltens von Schüttgütern sind die Einzelpartikelmodelle für DEM. Nur mit genauen Einzelpartikelmodellen lassen sich Partikelumwandlungen und/oder Partikelproduktqualitäten am Ausgang industrieller Reaktoren zuverlässig vorhersagen. Die Komplexität der Beschreibung liegt in der Tatsache begründet, dass auf der Partikelebene Chemie und Transport auf ähnlichen Zeitskalen miteinander konkurrieren.

Das Projekt B4 treibt die Weiterentwicklung der Modellierung reaktiver Prozesse auf Partikelebene voran, wobei der Schwerpunkt auf der Pyrolyse von Biomasse und der Umwandlung von Holzkohle als reaktive Modellsysteme im 2. Die Biomasseumwandlung wurde ausgewählt, da sie als hochkomplexes Modellsystem für DEM-Einzelpartikelmodelle dienen kann, die heterogene Reaktionen, Veränderungen der Partikelform und Porenstruktur sowie anisotrope Intrapartikeltransporteigenschaften umfassen. Als methodischer Ansatz zur Entwicklung anspruchsvoller Einzelpartikelmodelle wird ein neuartiger, einzigartiger simulativ-experimenteller Rahmen abgeleitet. Dieser Rahmen stützt sich auf drei Säulen: die Entwicklung adaptiver Porennetzwerkmodelle (PNM), die Parametrisierung von Kontinuumsmodellen (CM) auf der Grundlage effektiver Transport-, chemischer und morphologischer Eigenschaften, die aus den hochaufgelösten PNM-Simulationen abgeleitet werden, und die Bereitstellung von Messdaten, die die Überbrückung von Skalen von PNM zu CM erleichtern.
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Die Bildung und Entwicklung von Poren in porösen Systemen während des Trocknungsprozesses wird auf mehrere nebeneinander liegende und konkurrierende Mechanismen zurückgeführt. In diesem Projekt sollen Berechnungsmodelle entwickelt werden, die diese Mechanismen erfassen und zur zuverlässigen Beschreibung einer Vielzahl von Formulierungen und Trocknern verwendet werden können, wobei die endgültige Porenstruktur mit den Formulierungseigenschaften und Prozessvariablen in Beziehung gesetzt wird.
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Ein wichtiger Pfeiler des Projekts ist die Erarbeitung einer übergreifenden Methodik, die Porennetzwerkmodelle und überwachte maschinelle Lernverfahren gemeinsam nutzt. Eine solche Methodik wird Simulationen der Trocknung in dicken porösen Medien, aber auch thermo-chemische Prozesse (wie Pyrolyse) in thermisch dicken Partikeln unterstützen.
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Die Trocknungskinetik poröser Materialien wird von den Flüssigkeits-Gas-Grenzflächen (Menisken) beeinflusst, die sich im Laufe der Trocknung bilden und verschieben. In diesem Projekt wird versucht, die Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche in Kontinuumsmodelle der Trocknung einzubeziehen, indem der Stand der Technik der Porennetzwerkmodellierung, Porennetzwerksimulationen und neue Experimente kombiniert werden.
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Pulver, die durch Sprühtrocknung hergestellt werden, erfordern häufig einen zusätzlichen Vergrößerungsschritt, der hauptsächlich entweder außerhalb des Trockenturms oder durch Rückführung trockener untermaßiger Partikel in den Trockenturm erfolgt. In diesem Projekt werden die Kenntnisse über die Vergrößerung von Pulvern bei der Sprühtrocknung mit Rückführung von Feingut erweitert, wobei sowohl die Prozess- als auch die Produktqualität im Vordergrund stehen. Ein effizientes Vorhersagewerkzeug im Rahmen der numerischen Strömungsmechanik (CFD) wird erstellt und anhand von räumlich und zeitlich aufgelösten Experimenten in einer Pilotanlage bewertet.
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Ein Einzelpartikelmodell mit hoher Genauigkeit ist von zentraler Bedeutung für DEM/CFD-Simulationen eines Bettes, das mit einer Population von thermisch dicken Feststoffpartikeln gefüllt ist und einem thermischen Prozess (z. B. Trocknung) oder einem thermochemischen Prozess (z. B. Kalzinierung, Pyrolyse oder Verbrennung) ausgesetzt ist. Ein solches Modell muss im Wesentlichen den Wärme- und Stofftransport innerhalb eines einzelnen porösen Teilchens, morphologische Veränderungen seiner Porenstruktur, chemische Reaktionen und die Verbindung zur flüssig-festen Umgebung des Teilchens berücksichtigen. Das Projekt B4 zielt darauf ab, einen großen Durchbruch bei der Modellierung und Simulation dieser Phänomene auf der Ebene eines einzelnen Teilchens und unter realistischen Prozessbedingungen zu erzielen. Dieses Projekt wird sich auf die mikroskopische diskrete und makroskopische Kontinuumsmodellierung sowie auf die experimentelle Charakterisierung der Trocknungs- und Kalzinierungsprozesse konzentrieren. Diskrete Modelle werden auf der Grundlage erster Prinzipien entwickelt. Da sich die Porengröße im Laufe der Zeit aufgrund von thermischen Belastungen (Schrumpfung während der Trocknung) oder chemischen Reaktionen (Verbrauch der festen Phase) ändert, muss die Porenstruktur im Laufe der Zeit verfolgt und entsprechend aktualisiert werden. Die vollständige Berücksichtigung struktureller Veränderungen ist einer der wichtigsten Fortschritte, die mit Hilfe adaptiver diskreter Porennetzmodelle - einer neuen Familie diskreter Modelle - erzielt werden sollen. Es werden Modellerweiterungen vorgenommen, um interne Temperaturgradienten und unstrukturierte Netzwerke mit physikalisch realistischen Porenstrukturen zu berücksichtigen. Die innere Porenstruktur und die volumetrische Veränderung eines Partikels werden durch Techniken wie die µ-CT-Bildgebung charakterisiert. Phänomene auf der Porenskala sind für diskrete Modelle direkt zugänglich. Diese Tatsache wird genutzt, um die klassischen Kontinuumsmodelle von zu überarbeiten, indem Inputs von repräsentativen diskreten Porennetzwerksimulationen genommen und effektive Parameter in ein makroskaliges Kontinuumsmodell eingespeist werden. Um das Kontinuumsmodell mit Vorhersagefähigkeiten auszustatten, werden hochwertige und verlässliche gravimetrische Messungen für einzelne Partikel in Thermowaagenreaktoren unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Auf dieser Grundlage werden die klassischen Kontinuumsmodelle verbessert und nach ihrer Modellordnungsreduktion in die DEM/CFD-Bibliotheken implementiert.
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Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung fortgeschrittener Modelle zur Vorhersage der Trocknungseigenschaften einzelner Aufschlämmungströpfchen in Gegenwart löslicher Gase bei niedriger Temperatur und atmosphärischem Druck. Die Modelle werden den internen und externen Wärme- und Stofftransport sowie den Transport von Spezies sowohl in der Gasphase als auch innerhalb des Tropfens und der porösen Partikel berücksichtigen. Zur Bewertung der Modellvorhersagen werden mehrere Sätze von Einzelversuchen mit Slurrytropfen unter verschiedenen gut kontrollierten Prozessbedingungen durchgeführt.
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Flüssigkeitsfilme in Porenecken spielen eine wichtige Rolle bei den Transportprozessen in porösen Medien während der Trocknung. Es lassen sich zwei Arten von Eckfilmen unterscheiden: Ein kontinuierlicher Eckfilm ist mit einer von Flüssigkeit besetzten Pore verbunden, während ein diskontinuierlicher Film keinen Kontakt zu flüssigkeitsgesättigten Poren hat. Die kontinuierlichen und die diskontinuierlichen Eckfilme können ihren Zustand während der Trocknung poröser Medien wechselseitig ändern. Dieses Projekt zielt darauf ab, den Übergang zwischen kontinuierlichen und diskontinuierlichen Eckfilmen durch experimentelle und numerische Studien im Detail zu verstehen.
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Kontinuierliche Modelle für die Benetzung poröser Materialien sind in der Regel zu stark vereinfacht und können daher den Einfluss der mikrostrukturellen Merkmale des Materials nicht richtig beschreiben. Ziel des Projekts ist es, die Benetzung mikrostrukturierter poröser Materialien auf diskrete Weise (durch Porennetzwerke) zu simulieren und die Simulationsergebnisse dann in neuen und besseren kontinuierlichen Modellen zu verwenden, die einfach zu lösen sind und dabei so viele Details der Struktur-Eigenschafts-Beziehung wie möglich bewahren.
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Diskrete Netzwerkmodelle bieten einen effizienten Ansatz auf Porenskala, um die Rolle einzelner Transportphänomene in verformbaren Partikelaggregaten zu untersuchen, die aus Partikeln mit einer multimodalen Größenverteilung bestehen. Während der Trocknung wird der Stofftransport (Flüssigkeitsströmung und Dampfdiffusion) anhand eines Finite-Volumen-Modells (PFV) auf Porenebene ermittelt, während die mechanische Reaktion (Risse und Schrumpfung) des Festkörpers auf Druckkapillarkräfte mit der Methode der diskreten Elemente (DEM) berechnet wird. Das gekoppelte DEM-PFV-Modell ermöglicht es, den Einfluss der physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, der mechanischen Eigenschaften des Festkörpers und der Trocknungsgeschwindigkeit auf den Grad der mechanischen Reaktion zu untersuchen.
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Durch Verdampfung an einer heißen Stelle und Kondensation an einer kalten Stelle kann Wärme mit einer höheren effektiven Wärmeleitfähigkeit transportiert werden als mit jedem anderen vorhandenen Material. Dieses Prinzip wird in so genannten Wärmerohren genutzt. Hier wird eine spezielle Art von Heatpipe-Verdampfer betrachtet, bei dem die Verdampfung aus einem nassen porösen Docht in Kontakt mit einer heißen Rippe in Dampftransportrillen erfolgt. Porennetzwerkmodelle werden für die Simulation von Transportphänomenen und der Flüssigkeitsverteilung im Docht verwendet, um optimale Betriebsbedingungen und Dochtstrukturen zu ermitteln. Neuartige Porennetzwerkmodelle werden für die Trocknung mit überhitztem Dampf entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen kontinuierlichen Ansätzen können solche Modelle den Einfluss der Mikrostruktur des Produkts auf den Trocknungsprozess erfassen. Das Ziel ist eine effiziente Verarbeitung, die an die Produkteigenschaften und -qualität angepasst ist.
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Die Struktur von Agglomeraten, die in Sprühwirbelschichten aus starren Primärpartikeln hergestellt werden, wurde in einem Vorläuferprojekt untersucht. Es wurde gezeigt, wie morphologische Deskriptoren (u.a. Porosität, fraktale Eigenschaften) aus Röntgen-Mikrotomographie-Scans extrahiert werden können und wie solche Deskriptoren von den Betriebsparametern des Partikelformulierungsprozesses abhängen. Diese Untersuchung wird nun auf weiche Primärpartikel ausgeweitet, die für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie von großem Interesse sind. Insbesondere werden die strukturellen Merkmale von Maltodextrin-Agglomeraten untersucht, einschließlich der Entwicklung neuer Bildanalysemethoden, die auf Primärpartikel mit unregelmäßiger Form und ungleichmäßiger Größe angewendet werden können.
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Die gleichzeitige Benetzung poröser Partikel mit Tröpfchen einer aufgesprühten Salzlösung und die Trocknung führt zur Ablagerung des Salzes (verfestigter gelöster Stoff) im porösen Material mit verschiedenen technischen Anwendungen. Die Verteilung des Salzes hängt unter anderem von den Trocknungsbedingungen und der inneren Struktur des porösen Substrats ab. Solche Einflüsse auf den kombinierten Prozess von Benetzung und Trocknung werden mit Hilfe von Porennetzwerkmodellen untersucht. Validierungsexperimente werden in mikrofluidischen Geräten durchgeführt.
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Porennetzmodelle sind einzigartig, da sie die strukturellen Merkmale poröser Medien mit ihren makroskopischen Eigenschaften verbinden, um z. B. herauszufinden, wie lange ein nasses Material zum Trocknen braucht. Andererseits erfordern Porennetzwerkmodelle eine viel längere Rechenzeit als die numerische Lösung von Differentialgleichungen zur Beschreibung von Transportphänomenen auf der Makroebene. Daher werden Methoden entwickelt, um effektive Transportkoeffizienten aus den Ergebnissen von Porennetzwerksimulationen zu extrahieren. Wenn dieser Ansatz erfolgreich ist, kann er sowohl den Einfluss der Materialstruktur beschreiben als auch die Berechnungsgeschwindigkeit erhöhen.
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Satisfactory incorporation of functional oils into processed foods is not straightforward because of their susceptibility to autoxidation and low solubility. Microencapsulation technology could solve these problems and spray drying is one of the most promising methods for encapsulating functional oils. Enhancing the encapsulation efficiency and reducing the lipid oxidation are the most important challenges of spray drying for microencapsulation. Understanding the drying behavior of single liquid droplets is of utmost importance for the prediction of physicochemical properties or functionality of the final microparticles. The drying behavior of droplets and particles containing functional oils is studied through both simulations and experiments. The insights gained from this study can be used to track the encapsulation efficiency and the lipid oxidation during the drying of droplets and particles containing functional ingredients.

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Das Wassermanagement in der Gasdiffusionsschicht einer PEM-Brennstoffzelle ist von wesentlicher Bedeutung für die Leistung und Zuverlässigkeit. Da die poröse Schicht sehr dünn ist, ist die Verwendung diskreter Ansätze für eine genaue Simulation erforderlich. Zu diesem Zweck werden Porennetzwerkmodelle entwickelt und angewandt, wobei der Schwerpunkt auf der Trocknung mit Hilfe eines Gasspülstroms liegt.
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Mikroalgen sind ein sich entwickelnder Rohstoff für verschiedene Anwendungen, einschließlich der Extraktion von Lebensmittelbestandteilen. In diesem Rahmen wird der Einfluss der Trocknung auf den Gesamtlipidgehalt und die Lipidzusammensetzung untersucht. Ziel ist es, Prozessbedingungen zu identifizieren, die zu einer hohen Ausbeute an ernährungsphysiologisch wertvollen (Omega-) Lipiden führen.
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Um die günstige Konvektionstrocknung zur Herstellung hochporöser Gele zu erschließen, wird der Einfluss von Gelstruktur, Stoffparametern sowie Trocknungsbedingungen auf die mechanische Beanspruchung und Schädigung dieser fragilen Partikelaggregate untersucht. Hierzu wird zum einen eine Kombination von Volume-of-fluid-Methode (für die Flüssigkeitsverteilung) und Diskrete-Elemente-Methode (für die Wirkung der Kapillarkräfte) eingesetzt, zum anderen werden Trocknungsexperimente im Röntgen-Mikrotomographen durchgeführt.

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Um die günstige Konvektionstrocknung zur Herstellung hochporöser Gele zu erschließen, wird der Einfluss von Gelstruktur, Stoffparametern sowie Trocknungsbedingungen auf die mechanische Beanspruchung und Schädigung dieser fragilen Partikelaggregate untersucht. Hierzu wird zum einen eine Kombination von Volume-of-fluid-Methode (für die Flüssigkeitsverteilung) und Diskrete-Elemente-Methode (für die Wirkung der Kapillarkräfte) eingesetzt, zum anderen werden Trocknungsexperimente im Röntgen-Mikrotomographen durchgeführt.

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Während der Trocknung poröser Materialien können durch Feuchte- und Temperaturgradienten erhebliche Kräfte auftreten, welche zu einer unerwünschten Strukturveränderung führen. Das poröse Material wird als ein Partikelagglomerat modelliert; zur Berechnung der Flüssigkeitsverteilung in den Poren wird das komplementäre Porennetzwerk herangezogen; die mechanischen Effekte zwischen den Primärpartikeln werden mit Hilfe der Diskrete-Elemente-Methode beschrieben. Ziel des zunächst isothermen Ansatzes ist es, günstige Trocknungsbedingungen und Struktureigenschaften zu identifizieren, für welche Materialschädigungen vermieden werden.

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