Überwachung und Steuerung der kontinuierlichen mehrstufigen Wirbelschichtsprühgranulation: Echtzeitanalyse und Prozessanpassung durch Mischungsbeeinflussung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Heinrich
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454277381

Obwohl die Wirbelschichtsprühgranulation seit mehr als 60 Jahren industriell eingesetzt wird, ist es immer noch eine Herausforderung, die Partikelgrößenverteilung des Produktes zu regeln. Das Ziel unseres Projektes ist die Entwicklung eines echtzeitfähigen Überwachungs- und Vorhersagesystems, das es ermöglicht, die Produktgrößenverteilung während der kontinuierlichen, mehrstufigen Wirbelschichtsprühgranulation zu steuern. Dies wird durch drei wesentliche Forschungsschwerpunkte erreicht: eine neuartige Umschalttopologie während des Betriebs der Wirbelschicht, Echtzeitsimulationen, die eine online Prozessregelung erlauben sowie ein online System zur Messung der Partikelgrößenverteilung. Wesentlicher Bestandteil der experimentellen Untersuchungen ist eine zweistufige Laborwirbelschichtanlage mit integriertem Unterlaufwehr. Wir werden Segregationseffekte nutzen, um gezielt zu beeinflussen, welche Partikel die Sprühzone erreichen und damit in ihrer Partikelgröße wachsen. Durch das Umschalten zwischen homogener und heterogener Begasung wird das Partikelzirkulationsmuster in der Anlage verändert. Während der homogenen Begasung passieren nur grobe Partikel das Wehr und gelangen zur nächsten Stufe, während die kleineren Partikel in der oben gelegenen Sprühzone verharren. Durch eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit in der Mitte des Verteilerbodens (heterogene Begasung) wird das Strömungsmuster in der Wirbelschicht verändert und die Partikelgrößenverteilung homogenisiert. Kleine und große Partikel wachsen gleichermaßen an. Als neues Messkonzept wird die Größenverteilung der Partikel, die das Unterlaufwehr passieren, gemessen. Hierfür wird das Unterlaufwehr mit einem Spiegel ausgestattet. Durch Kameraaufnahmen und digitale Bildauswertung werden direkt die Partikelgrößenverteilungen der passierenden Partikel bestimmt. Die Regelung der Wirbelschichtsprühgranulation erfolgt über Echtzeitsimulationen der Wirbelschichtdynamik mit dem recurrence CFD-Ansatz (rCFD). rCFD verwendet „recurrence plots“ basierend auf CFD-DEM Simulationssequenzen als Datenbank, um die Dynamik zu extrapolieren. Der Ansatz beruht auf der Annahme, dass ähnliche Zustände auch ähnliche zeitliche Entwicklungen aufweisen. Mit dieser Methode können Prozesse schneller als in Echtzeit simuliert werden. In diesem Projekt wird dieses neuartige Konzept für polydisperse Systeme erweitert. Dafür müssen lokale Partikelgrößenverteilungen gemessen und definiert erzeugt werden. Das Regelungskonzept wird mit dem rCFD-Löser integriert, um den inneren Systemzustand über die Wahl der Zustandsdatenbank zu synchronisieren. Dies umfasst die Kommunikation der Ablufttemperatur und -feuchte sowie die Partikelgrößenverteilung und ein Interface zur Ansteuerung für den Begasungsschaltmechanismus. Damit werden die Vorhersagen des rCFD-Lösers zugänglich zum Treffen von Regelungsentscheidungen, wie des Begasungsmodus zur Beeinflussung des Zirkulationsmusters, um die gewünschte Produktpartikelgrößenverteilung zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Stefan Pirker