Experiment und mathematische Modellierung zur Feststoffbildung bei der Sprühtrocknung

Die Sprühtrocknung wird in Produktionsprozessen verschiedener Zweige der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie eingesetzt. Bisher beruhen Auslegung und Steuerung von Sprühtrocknern hauptsächlich auf Empirie und Erfahrung. Dies ist vor dem Hintergrund stetig steigender Anforderungen jedoch nicht mehr zweckmäßig, weil eine gezielte Prognose und Steuerung der Produkteigenschaften auf diese Weise nicht möglich ist. Um ein tiefergehendes physikalisches Verständnis der Vorgänge während des Sprühtrocknungsprozesses zu erlangen und den Prozess somit besser steuern zu können, wird in der vorliegenden Arbeit ein Modell für die Trocknung eines Einzeltropfens bei gleichzeitiger Feststoffbildung entwickelt. Das Modell soll den gesamten Trocknungsverlauf, ausgehend vom reinen Lösungstropfen bis hin zum vollständig getrockneten Endprodukt beschreiben. Durch Einbindung des Einzeltropfenmodells in ein kommerzielles CFD-Programm (Kooperation mit LUAT, Universität Duisburg-Essen) ist es möglich, einen kompletten Sprühtrockner zu simulieren, um die entstehende mikroskopische Feststoffstruktur im Tropfen in Abhängigkeit von makroskopischen, verfahrenstechnischen Parametern und stoffspezifischen Größen vorhersagen zu können. Im ersten Trocknungsabschnitt werden die sich während der Trocknung ändernde Übersättigung im Tropfen und die daraus resultierende Partikelentstehung orts- und zeitaufgelöst berechnet. Sobald der Tropfen eine feste Hülle ausgebildet hat, beginnt der zweite Trocknungsabschnitt. Das Modell beschreibt nun das Wachsen und die Struktur der festen Hülle. Im Inneren des Tropfens ist es darüber hinaus möglich, eine sich aus Trocknungsgas oder Lösungsmitteldampf bildende Blase zu berücksichtigen. Um das Aufblähen, Schrumpfen und Brechen der Feststoffhülle beschreiben zu können, müssen Struktur und mechanische Eigenschaften der Feststoffhülle berücksichtigt werden. Die Wärme-, Stofftransport- und Feststoffbildungsvorgänge im Tropfen werden mit Modellansätzen (Ficksche Diffusion, Populationsbilanzen) detailliert beschrieben und mit Hilfe effizienter numerischer Verfahren gekoppelt gelöst. Die Schwerpunkte hierbei liegen in der Lösung der Differentialgleichungen in einem beweglichen Koordinatensystem sowie in der Kopplung von Verfahren zur Lösung partieller Differentialgleichungen unterschiedlichen Typs (parabolisch/hyperbolisch)

Mikro-Eisbooster: Challenge-Projekt; Projektlaufzeit: 12 Monate (01.07.2008 - 30.06.2009); Abschlussbericht, Stand: 30.12.2009

Durch gestiegene Anforderungen an Produkteigenschaften von Seiten der Verbraucher, Anwender und Produzenten gewinnt die Herstellung maßgeschneiderter Produkte zunehmend an Bedeutung. In allen möglichen Industriezweigen, wie z. B. der Lebensmittelindustrie, dem Bausektor oder auch dem Energiesektor, werden immer neue Anforderungsprofile an handelsübliche Produkte gestellt. So führen z. B. steigende Auflagen zur Energieeinsparung zu einer wachsenden Nachfrage an pulverförmigen Latentwärmespeichermaterialien. Pulverförmige Komposite in Form von Mikrokapseln erfüllen zahlreiche dieser neuen Produktanforderungen. Feste und flüssige "Wirkstoffe" werden in leicht dosierbarer, mischbarer und stabiler Form bereitgestellt. Durch eine gezielte Steuerung der Morphologie können darüber hinaus Freisetzungseigenschaften und Reaktivitäten beeinflusst werden. Mikrokapseln lassen sich grundsätzlich mit chemischen und physikalischen Verfahren herstellen. Sowohl die chemischen als auch die physikalischen Verkapselungsverfahren haben hierbei bereits einen hohen Standard erreicht. Die diffusionsstabile und mechanisch belastbare Verkapselung - insbesondere von Wasser und wasserlöslichen Bestandteilen - stellt jedoch noch ein ungelöstes Problem dar und soll in diesem Projekt anhand eines Anwendungsszenarios (Erhöhung der Wärmekapazität eines Kälteträgers) erforscht und erste Ansätze zur Überwindung der Schwierigkeiten erarbeitet werden. Das zur Validierung der Entwicklungen ausgesuchte Anwendungsszenario ist nachfolgend aufgeführt