Deutsche Forschungsgemeinschaft
SPP 1679
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Untersuchung des dynamischen Verhaltens der Sprühgranulation in kontinuierlich betriebenen Wirbelschichtrinnen

Institute:

Institut für Feststoffverfahrenstechnik und Partikeltechnologie, TU Hamburg-Harburg
Institut für Automatisierungstechnik, OvGU Magdeburg
Institut für Verfahrenstechnik, Lehrstuhl Thermische Verfahrenstechnik, OvGU Magdeburg

Projektleiter:

Prof. Dr.-Ing. habil. S. Heinrich, TU Hamburg-Harburg
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Kienle, OvGU Magdeburg
Prof. Dr.-Ing. habil. E. Tsotsas, OvGU Magdeburg 

Bearbeiter:

E. Diez, M.Sc., TU Hamburg-Harburg teiwes@tuhh.de
Dipl.-Ing. C. Dreyschultze, OvGU Magdeburg
M.Sc. K. Meyer, OvGU Magdeburg 

Projektziel

Die Wirbelschichtsprühgranulation ist eine spezielle Anwendung der Wirbelschichttechnik und gilt in der Industrie als wichtiges Verfahren zur Herstellung körniger Produkte mit definierten Partikeleigenschaften. Mit Hilfe dieser Technologie können aus flüssigen Ausgangsstoffen, wie Lösungen, Suspensionen, Schmelzen oder Emulsionen, feste Produkte mit gezielten Partikel- und Schüttguteigenschaften in nur einem Prozessschritt erzeugt werden. Im kontinuierlichen Betriebsmodus werden in der Industrie sehr häufig horizontal aufgebaute Wirbelschichtrinnen mit länglichem, rechteckigem Basisquerschnitt eingesetzt, die durch eine variable Anzahl von Trennblechen (Wehren) in mehrere Kammern unterschiedlicher Funktionalität (z.B. Granulation bzw. Schichtaufbau, Trocknung oder Kühlung) unterteilbar sind. Weiterhin ist eine externe Produktaufbereitung (Pneumatische Förderung, Siebung, Mahlung und Rückführung von Über- und Unterkorn in die Wirbelschichtrinne) üblich. Die sich daraus ergebenden internen und externen Vernetzungen von feststoffverfahrenstechnischen Grundoperationen sowie Gas-, Flüssigkeits- und Feststoffströmen führen zu einem komplexen und dynamischen Prozessverhalten und weisen einen prototypischen Charakter für die dynamische Simulation von vernetzten Feststoffprozessen auf.

Ziel des Vorhabens ist eine auf theoretischen und experimentellen Untersuchungen beruhende, umfassende Beschreibung der komplexen Prozessdynamik der Sprühgranulation in kontinuierlich betriebenen Wirbelschichtrinnen sowie deren Auswirkungen auf die Produkteigenschaften. Zu betrachtende Eigenschaften sind hierbei insbesondere die Größenverteilung, die Feuchte und die Morphologie der Partikel, welche die wesentlichen Gebrauchseigenschaften, wie z.B. die Fließfähigkeit, das Auflöseverhalten, die Freisetzungsraten oder die Lagerstabilität des Granulats, bestimmen.

Arbeitsprogramm

Das Forschungsvorhaben erfordert sowohl auf makroskopischer Ebene (Partikelsystem) als auch auf mikroskopischer Ebene (Partikel) umfangreiche experimentelle und modelltechnische Untersuchungen, die systemtechnisch begleitet und gestützt werden müssen.

Auf makroskopischer Ebene ist sowohl für eine einzelne Rinnenstufe als auch für die mehrstufige Rinne eine iterative Herangehensweise vorgesehen. Dabei werden Wirbelschichtsprühgranulationsexperimente mit dem Modellstoff Natriumbenzoat im Pilotmaßstab bei variabler Anlagenkonfiguration und veränderlichen Betriebsparametern der Wirbelschichtrinne im diskontinuierlichen und kontinuierlichen Betrieb durchgeführt, ausgewertet und populationsdynamische Modelle erstellt. Die Auswertung basiert auf stabilen stationären Zuständen und enthält eine erste, sich darauf beziehende, Parameteridentifikation und Untersuchung des Modellverhaltens. Eine folgende systematische Analyse des dynamischen Modellverhaltens vertieft und präzisiert die Auswertung und beinhaltet eine auf der Systemdynamik beruhenden Parameteridentifikation, Versuchsplanung und Modelldiskriminierung. Die Ergebnisse der dynamischen Modellanalyse werden wiederum zur gezielten Durchführung von Granulationsexperimenten sowie zur gezielten Weiterentwicklung der populationsdynamischen Modelle verwendet. Die Untersuchungen auf makroskopischer Ebene werden durch eine für die dynamische Analyse notwendige Erweiterung des Prozessleitsystems der Wirbelschichtrinne im Pilotmaßstab sowie durch eine genauere Betrachtung der Anlagenperipherie (Siebe, Mühle und pneumatische Förderung) komplettiert.

Auf mikroskopischer Ebene wird der Partikeltransport in der Wirbelschichtrinne insbesondere der Transport über die Stufengrenzen untersucht. Von besonderem Interesse sind dabei die klassierende Wirkung der verschiedenen Trennblechkonfiguration (Über-, Unter- oder Seitenlaufwehre) und die auftretenden Rückvermischungseffekte, die in Abhängigkeit der Partikelgröße herausgestellt werden sollen. Hierzu werden zum einem experimentelle Untersuchungen an flachen, planaren Wirbelschichten mit Hilfe der Particle-Image-Velocimetry-Methode durchgeführt. Zum anderen wird der Partikeltransport mittels Diskrete-Partikel-Modellierung simuliert. Des Weiteren werden Eigenschaften wie z.B. die Porosität, Druckfestigkeit sowie Größe und Form auf Partikelebene bestimmt. Die so gewonnenen Ergebnisse werden in den Iterationskreis aus Modellentwicklung, -analyse und –validierung auf makroskopischer Ebene eingespeist und vervollständigen das Vorhaben dynamische Modelle für die Wirbelschichtrinne und die Peripherie mit möglichst großem Gültigkeitsbereich abzuleiten.

Tätigkeiten der einzelnen Arbeitsgruppen:

AG Heinrich, TU Hamburg-Harburg

  • Experimentelle Untersuchungen am ein- und mehrstufigen Apparat
  • Beschreibung des Partikeltransports in und zwischen den funktionalen Zonen und Kammern mittels „Diskrete Partikel Modellierung“ (DPM)
  • Dynamische Modellierung der in den Rückführungen eingesetzten Apparate

AG Kienle, OvGU Magdeburg

  • Systemtheoretische Analyse, Versuchsplanung und Modelldiskriminierung für den ein- und mehrstufigen Apparat
  • Beschleunigung von Versuchen durch Experimente im geschlossenen Regelkreis

AG Tsotsas, OvGU Magdeburg

  • Experimentelle PIV-Untersuchung des Partikeltransportes an Wehren
  • Charakterisierung der experimentell erzeugten Produktpartikel
  • Populationsdynamische Modellierung (PBM) der Partikelbildung