Entwicklung von Prozessmodellen auf Basis von 3D-Informationen über die mehrphasigen Prozesse im Porenraum eines Filterkuchens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Urs Peuker
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321751388

Mechanische Entfeuchtungsprozesse, zu denen auch die Kuchenfiltration gehört, sind ein Teilschritt in vielen Produktionsabläufen der chemischen, pharmazeutischen, biotechnologischen, Lebensmittel-, Werkstoff- und Grundstoffindustrie. Sie führen eine möglichst effiziente Trennung des partikelförmigen Feststoffs von der Suspensionsflüssigkeit durch. Während die numerische Modellierung mit großem rechnerischem Aufwand sowohl bei der Strukturierung von Filterkuchen aus idealisierten Partikeln als auch bei der Porenströmung detaillierte wissenschaftliche Erkenntnisse erarbeitet hat, werden für ingenieurtechnische Auslegungen immer noch sehr einfache eindimensionale Ansätze genutzt. Dies liegt daran, dass bis vor kurzem eine hochaufgelöste Analyse des realen Porenraums nicht möglich war und daher integrale Parameter zur Quantifizierung der Porenströmung genutzt wurden. Das Vorhaben soll in zwei Stufen zu einer besseren technologischen Beschreibbarkeit von mechanischen Entfeuchtungsprozessen von Filterkuchen führen. Das Porensystem wird hochauflösend über Computertomographie charakterisiert. Diese Daten werden genutzt, um ein Strukturmodell des Porensystems zu entwickeln. Die Kenngrößen des Strukturmodells werden als verteilte Größen ermittelt. Sie werden mit den verteilten Kenngrößen der Partikeleigenschaften, d.h. der Form- und der Größenverteilung korreliert. So wird es direkt möglich, aus den Eigenschaften des Partikelsystems auf die geometrischen und weiterführend auf die prozesstechnischen Eigenschaften des daraus gebildeten Filterkuchens zu schließen. Dies soll im Sinne eines Short-cuts erfolgen. Um ein vertieftes Verständnis für die 3D-Strukturen zu erhalten, werden die Tomographiedaten auch in einer Virtual-Reality-Umgebung ausgewertet. Ziel ist es ein Strukturmodell zu entwickeln, das auf einem echten 3D-Verständnis beruht. Das Strukturmodell ist die Grundlage, um den verfahrenstechnischen Mikroprozess der mehrphasigen Porenströmung zu beschreiben. Ziel ist es, für die beteiligten Mikroprozesse die richtigen, verteilten geometrischen Kenngrößen des Porenraums zu nutzen. So kann eine Entkopplung von kapillaren und Reibungseffekten erfolgen, die bisher in konventionellen Modellen beide auf den gleichen Geometrieparameter (hydraulischer Durchmesser) zurückgreifen. Das Prozessmodell vereinfacht das Problem soweit, dass eine Anwendung von ingenieurtechnischen Auslegungsrechnungen diesseits einer vollständigen nummerischen Simulation möglich wird. So soll eine schnelle und dennoch quantitativ belastbare Auslegung von Filtrations- und Gasdifferenzdruckentfeuchtungsproessen möglich sein. Solche Modelle mit geringem Rechenaufwand sind für die prädiktive Regelung von Apparaten und für eine gekoppelte Simulation von Prozessketten notwendig. In beiden Fällen sind schnelle Rechnungen gefordert. Als Leitgröße dienen die Partikeleigenschaften, aus denen über das Struktur- und das Prozessmodell das Verfahrensergebnis bestimmt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen