Mehrskalenmodellierung des Sprühtrocknens keramischer Suspensionen

• Antragsteller: Dr. Adham Hashibon, seit 3/2011
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 160448105

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer Simulationsmethodik für die Modellierung des Sprühtrocknens keramischer Suspensionen, um Vorhersagen über Gestalt und Eigenschaften der Granulen machen zu können. Dies sollte durch Kombination partikelbasierter Simulationsverfahren auf Granulat- und Anlagenskala erreicht werden. Durch Verknüpfung des mikroskopischen Tropfenmodells mit einer makroskopischen Simulation der Strömung in der Trocknungskammer sollten zudem Erkenntnisse über den Trocknungsprozess einzelner Tropfen im Kontext der Gesamtprozessführung gewonnen werden. Hierfür wurden zahlreiche Implementierungen am partikelbasierten Simulationstool SimPARTIX vorgenommen, u.a. zur Simulation von Mehrphasenströmungen, Oberflächenspannung und zur gekoppelten Simulation von DEM und SPH. Außerdem wurden eigene Modellentwicklungen geleistet, u.a. zur Simulation von Benetzung und Trocknung in SPH, sowie zu Partikelwechselwirkungen an der Phasengrenze. Trocknungssimulationen der reinen SPH lieferten gute Ergebnisse, bei gekoppelten SPH-DEM Simulationen des Trocknens einzelner Tropfen zeigte sich jedoch eine intrinsische Einschränkung der Simulationsmethodik, die im Rahmen des Projekts nicht gelöst oder umgangen werden konnte. Die Verzögerungen im Zeitplan aufgrund der Probleme mit der ursprünglich gewählten Simulationsmethodik sowie die Tatsache, dass mittlerweile kommerzielle CFD-Lösungen zur Simulation auf Anlagenskala existieren, führten zu dem Entschluss, diesen Arbeitspunkt aus der Agenda zu streichen und stattdessen die Simulation von Ablagerungen an der Trocknerwand aufzunehmen. Hierfür wurde ein vereinfachtes Simulationsmodell für die Trocknung von Tropfen auf festem Substrat entwickelt und an experimentellen Ergebnissen aus der Literatur validiert. Zur Simulation der Sprühtrocknung auf Tropfenebene wurde schließlich die FVM als eine alternative, gitterbasierte Methode der numerischen Strömungsmechanik verwendet. Auf Basis eines quelloffenen Programmpakets wurde auch hier ein gekoppelter FVM-DEM Solver implementiert und um ein Trocknungsmodell ergänzt. Das entwickelte Programm wurde zur Simulation einzelner trocknender Tropfen verwendet, wobei systematische Parameterstudien zur Kohäsivität, Kapillarkraft, Reibung und Partikelgrößenverteilung durchgeführt wurden. Die durchgeführten Simulationsarbeiten lieferten einen vertieften Einblick in die Granulenmorphologie, insbesondere die Entstehung von dichten und hohlen Granulen, die Eigenschaften der Schalen bei Hohlgranulen, den Einfluss der Reibung zwischen den Partikeln sowie über Segregationsneigungen bei größenverteilten Partikelkonfigurationen. Die dabei gefundenen Erkenntnisse sind dabei gut mit experimentellen Befunden aus der Literatur vereinbar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Simulation of particulate flows using coupled SPH and DEM simulations, 6th International SPHERIC workshop, Hamburg, Deutschland, 2011
  T. Breinlinger, A. Wonisch, T. Kraft
  
• Simulation of particulate flows using coupled SPH and DEM simulations, in: 6th International SPHERIC workshop, Hamburg, DE, 2011, ISBN 978-3-89220-658-3
  T. Breinlinger, A. Wonisch, T. Kraft
  
• Simulation of the Drying of Silver Ink Micro Droplets, International Symposium on Discrete Element Modelling of Particulate Media, Birmingham, Großbritanien, 2012
  T. Breinlinger, A. Wonisch, T. Kraft
  
• Surface tension and wetting phenomena with SPH, 7th International SPHERIC workshop, Prato, Italien, 2012
  T. Breinlinger, A. Hashibon, T. Kraft
  
• Surface tension and wetting phenomena with SPH, in: 7th International SPHERIC workshop, Prato, IT, 2012
  T. Breinlinger, A. Hashibon, T. Kraft
  
• Surface tension and wetting effects with smoothed particle hydrodynamics, J. Comp. Phys. 243 (2013) 14-27
  T. Breinlinger, P. Polfer, A. Hashibon, T. Kraft
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jcp.2013.02.038)
• Surface tension effects and droplet wetting and spreading modelled using SPH, in: Proceedings of Third International Conference on Particel-based Methods - Fundamentals and Applications (PARTICLES 2013), CIMNE, Barcelona, Spain, 2013
  A. Hashibon, T. Breinlinger, T. Kraft
  
• Surface tension effects and droplet wetting and spreading modelled using SPH, Third International Conference on Particel-based Methods - Fundamentals and Applications (PARTICLES 2013), CIMNE, Barcelona, Spainen, 2013
  A. Hashibon, T. Breinlinger, T. Kraft
  
• A simple method for simulating the coffee stain effect, Powder Technology 256 (2014) 279-284
  T. Breinlinger, T. Kraft
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.powtec.2014.02.024)
• Coupling volume of fluid (VOF) and discrete element (DEM) methods to simulate the spray drying process, OpenFOAM User Conference 2014, Berlin, Deutschland, 2014
  T. Breinlinger, A. Hashibon, T. Kraft
  
• Partikelbasierte Simulation von Trocknungsvorgängen in Suspensionen, ProcessNet-Jahrestagung 2014, Aachen, Deutschland, 2014
  T. Breinlinger, A. Hashibon, T. Kraft
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cite.201450180)
• SPH for microfluidic suspensions: Surface tension, wetting and solid particles, BAW Workshop Application of Smoothed Particle Hydrodynamics in Environmental Engineering and Geosciences, Karlsruhe, Deutschland, 2014
  T. Breinlinger, A. Hashibon, T. Kraft