Aufklärung des Sedimentationsverhaltens beliebig geformter Partikel in verdünnten und konzentrierten Suspensionen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278893567

Suspensionen treten in einer Vielzahl technischer und nicht-technischer Prozesse sowohl in der Chemie, als auch in der Biologie oder der Umwelttechnik auf. Abwasser- und Erzaufbereitung sind nur zwei Beispiele, bei denen die Behandlung hoch polydisperser, heterogener Suspensionen eine tragende Rolle spielt. Werden solche Prozesse modelliert und simuliert, so wird meist von sphärischen Partikeln ausgegangen. Jedoch sind Partikel selten perfekt sphärisch. Aufgrund ihrer Form können unterschiedliche Effekte auftreten, welche unter anderem das Sedimentationsverhalten eines Partikelsystems stark beeinflussen. Ein Beispiel hierfür ist eine Suspension aus Fasern. Diese können sich während der Sedimentation auf unterschiedliche Weise ausrichten, wobei im Vergleich zu Kugeln abhängig vom Feststoff-volumenanteil eine Beschleunigung oder Verlangsamung der Sedimentationsgeschwindigkeit resultieren kann.Die numerische Simulation hat sich bei vielen Problemstellungen als effektives Werkzeug erwiesen, um verfahrenstechnische Prozesse besser zu verstehen und auch vorhersagen zu können. In letzter Zeit wurden vor allem im Bereich der numerischen Simulation mittels einer Kopplung aus CFD und der Diskreten-Elemente Methode Ansätze entwickelt, welche auf die numerische Simulation nichtsphärischer Partikel abzielen. Jedoch beschränken sich diese Ansätze noch auf die Simulation einfacher Partikelgeometrien wie konvexe Polyeder oder aus Kugeln zusammengesetzte Partikel. Durch letztere Methode lassen sich prinzipiell beliebig geformte Partikel simulieren, allerdings wird für komplexer geformte Partikel eine sehr große Anzahl an Kugeln benötigt, um den resultierenden Partikel exakt genug darstellen zu können.Ziel des beantragten Vorhabens ist die Aufklärung des Sedimentationsverhaltens von beliebig geformten, nicht durch einfache analytische Formeln beschreibbaren Partikeln in verdünnten und konzentrierten Suspensionen. Hierfür wird eine numerische Methode verwendet, welche entwickelt wurde, um die Bewegung beliebiger Geometrien zu simulieren. Des Weiteren werden Ansätze zur Modellierung des Kontakts beliebig geformter Partikel weiterentwickelt und in die Simulations-plattform eingebunden, um eine Simulation von konzentrierten Suspensionen zu ermöglichen. Zusammen mit µ-CT Messungen, durch welche die Geometrie beliebig geformter Partikel mit einer Detailauflösung im Mikrometerbereich gescannt werden kann, ist nach einer ausführlichen Validierung mit Sedimentationsversuchen die Simulation des Bewegungsverhaltens von beliebig geformten Partikeln in Suspensionen möglich. Auf Basis von Untersuchungen mittels der nun zur Verfügung stehenden Simulationsplattform ist abschließend daran gedacht, Ansätze zu entwickeln, die das Sedimentationsverhalten von beliebig geformten Partikeln in Suspensionen anhand bestimmter Parameter beschreiben können. Das Vorhaben ist damit ein erster Ansatz zur Implementierung von beliebig geformten, realen Partikeln in eine Simulationsumgebung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Willy Dörfler