Motivation:

Etwa 60% der Verfahren in der chemischen Industrie beinhalten die Herstellung, Verarbeitung und den Einsatz von partikulären Systemen. Eine verfahrenstechnische Grundoperation ist hierbei die Separation von Feststoffen aus Flüssigkeiten. Im Industriemaßstab kommen häufig kontinuierlich arbeitende Dekantierzentrifugen zum Einsatz, deren Feststoffabscheidung auf dem Prinzip der Dichtetrennung beruht. Die Feststoffpartikeln sedimentieren auf die Innenwand der Trommel und werden durch die Differenzbewegung der Förderschnecke entlang des zylindrischen Teils in Richtung des konisch verengten Trommelendes transportiert und dort hinausbefördert. Die geklärte Flüssigkeit wird am zylindrischen Ende über ein Wehr abgezogen. Neben diesen Grundvorgängen lassen sich beispielsweise auch die Klassierung von Feststoffen oder Waschung realisieren.

Die Auslegung solcher Trennapparate beruht auf stark vereinfachten empirischen Ansätzen für den stationären Zustand. Eigenschaften der dispersen Phase wie das Sedimentationsverhalten, der Sedimentaufbau oder der Feststofftransport werden dabei nur unzureichend abgebildet.

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines Multiskalenmodels für die mechanische Flüssigkeitsabtrennung in Dekantierzentrifugen durch Verknüpfung von Materialeigenschaften mit der Maschinenfunktion des Apparates. Die Maschinenfunktion beschreibt den Zusammenhang zwischen Prozessbedingungen, Geometrie des Apparats und den Strömungszustand.

Beschreibung:

Wesentliche Einflussgrößen auf die Sedimentation, den Sedimentaufbau und den Feststofftransport sind u. a. die Partikelgrößenverteilung, der Feststoffvolumenanteil, die Partikelform und die Dichte des betrachteten Stoffsystems. Im Rahmen des Vorhabens soll zunächst eine Methode für die Charakterisierung partikulärer Systeme entwickelt werden. Durch geeignete Experimente ist eine Messvorschrift für die Materialfunktionen abzuleiten, welche die trenntechnischen Eigenschaften für die aufgelöste und nicht-aufgelöste Simulation beschreibt.

Neben den Materialeigenschaften beeinflussen die Strömungsbedingungen im Trennapparat den Trennprozess maßgeblich. In einer numerischen Strömungssimulation (CFD) sind daher die Materialfunktionen mit der Maschinenfunktion zu verknüpfen. Hierbei stehen der Sedimentaufbau, der Feststofftransport und dessen mechanische Entfeuchtung in der Zentrifuge im Fokus der Forschung. Die Implementierung der Ergebnisse aus der Simulation in ein dynamisches Prozessmodell (Fließschema-Simulation) erlaubt abschließend eine detaillierte Echtzeit-Simulation des Trennprozesses in der Dekantierzentrifuge sowie die Verschaltung mit anderen Grundoperationen der Partikeltechnik.