Verfestigungskinetik feinstdisperser Suspensionen beim Flüssigkeitsentzug in verfahrenstechnischen Prozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Fest-Flüssig-Trennung von Suspensionen feinster Partikeln mittels Filtrations- und Sedimentationsverfahren ist, wie die dynamische Entwicklung der Nanotechnologie unterstreicht, ein aktuelles Problem von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Die Trennung, aber auch generell die Handhabung derart oberflächenreicher und kompressibler Systeme stellt eine verfahrenstechnische Herausforderung dar, die häufig nicht befriedigend gelöst werden kann. Der Hauptgrund hierfür ist der starke Einfluss interpartikulärer Wechselwirkungen sowie die daraus resultierenden partikulären MikroStrukturen auf das trenntechnische und Theologische Stoffverhalten. Die verfahrenstechnische Funktion eines Trennprozesses wird hierbei maßgeblich durch die Theologischen Eigenschaften des zu verarbeitenden Produktes, durch dessen Fließeigenschaften, bestimmt. Bisher existierte keine Methode zur Konzeption und zur Auslegung von Fest-Flüssig-Trennprozessen und -apparaten, die eine für feindisperse Stoffsysteme unabdingbare, quantitative Berücksichtigung Theologischer Eigenschaften beinhaltet hätte. An dieser Stelle setzte das vorliegende Forschungsvorhaben an. Ziel war es ein auf Materialfunktionen und Betriebsbedingungen basierendes, zeit- und ortsaufgelöstes Modell der Verfestigung feinstdisperser Suspensionen während des Flüssigkeitsentzugs zu entwickeln. Damit einhergehend sollte ein grundsätzlicher Zugang zu einem tieferen Verständnis und einer fundierten Beschreibung der Interaktion von Apparat und verarbeitendem Stoffsystem unter der speziellen Berücksichtigung Theologischer Eigenschaften geschaffen werden. Nachdem VOT allem hinsichtlich der Partikelgrößen in einem Bereich um 1 um verschiedene anorganische Versuchsmaterialien ausgewählt und charakterisiert waren, wurden zunächst Methoden zur Probenvorbereitung festgelegt. Bei der Charakterisierung der Suspensionsproben stand neben der Feststoffkonzentration deren physiko-chemischer Zustand im Vordergrund. Insbesondere der pH-Wert und das damit materialspezifisch korrelierende Zeta-Potential gaben Auskunft über den Agglomerationszustand der Suspensionen. Darauf aufbauend bildeten im weiteren Verlauf systematisch durchgeführte experimentelle Untersuchungen die Grundlage für die mathematische Formulierung kompressibler sowie Theologischer Materialfunktionen. Ergänzt wurden diese Messungen durch die Einführung und die Erweiterung eines Normierungskonzepts auf der Basis charakteristischer Feststoffkonzentrationen, welches speziell zur Beschreibung des Kompressionsund Fließverhaltens feindisperser Fest-Flüssig-Systeme dient. Die bei unterschiedlichen Wechselwirkungsbedingungen gemessenen Daten ließen sich so durch eine normierte Darstellung in einer einzigen Kurve abbilden. Darüber hinaus war es mit Hilfe einer weiteren normierten Darstellung sogar möglich die Daten unterschiedlicher Stoffsysteme miteinander in Einklang zu bringen. Diese beiden Aspekte zählen mit zu den wesentlichen Fortschritten, die durch das vorliegende Forschungsvorhaben erzielt wurden. Im nachfolgenden Schritt wurden die zuvor bestimmten kompressiblen und Theologischen Materialfunktionen gekoppelt und in die Modellierung einer numerischen Simulation von Filtrations- und Zentrifugationsprozessen integriert. Hierzu wurden zunächst bei vorgegebenen Randbedingungen mit Hilfe der kompressiblen Materialfunktionen die beiden Schlüsselgrößen, die Feststoffkonzentration und der Feststoffgerüstdruck, orts- und zeitaufgelöst berechnet. Über diese wurden im Anschluss dann die Informationen der Theologischen Materialfunktionen mit in die Simulation eingebunden. Das auf diese Weise konzipierte Modell erlaubt schlussendlich die orts- und zeitaufgelöste Vorherbestimmung der Fließgrenzen von Filterkuchen und Sedimenten in Abhängigkeit von Stoff und Betriebsparametern während des Flüssigkeitsentzugs. Dies ist ein weiterer wesentlicher Fortschritt des vorliegenden Forschungsvorhabens. Die mit Hilfe des Simulationsprogramms berechneten Zwischenergebnisse in Form der zeitlich aufgelösten lokalen Feststoffkonzentrationen und Feststoffgerüstdrücke wurden exemplarisch anhand experimenteller Untersuchungen mittels Magnetic Resonance Imaging (MRI) für verschiedene Filtrations- und Zentrifugationsbedingungen verifiziert. Durch die Simulation unterschiedlicher Anwendungsszenarien sowie exemplarischer Parameterstudien wurde entsprechend dem letzten Punkt des Vorhabens schließlich die Anwendbarkeit der Methode zur Prozessoptimierung und zur Auslegung bestimmter Trennapparate anhand eines Tellerseparators und einer Dekantierzentrifuge demonstriert. Damit resultiert als ein weiteres Ergebnis des vorliegenden Forschungsvorhabens ein vertieftes Verständnis der Interaktion von Apparat und zu verarbeitendem Stoffsystem. Auf vergleichsweise einfachem und schnellem Weg können verschiedene Versuchsszenarien generiert und miteinander verglichen werden; demgegenüber stände bei herkömmlicher Vorgehensweise ein hoher experimenteller und damit folglich auch zeitlicher bzw. finanzieller Aufwand.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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ANLAUF, H.; ERK, A.: Continous "Skin"-filtration of very difficult to filter suspensions. In: Proceedings of the Filtech 2005, Wiesbaden (2005), S. I 545-552 Abschlussbericht zum DFG-Antrag An 248 / 7-1
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ANLAUF, H.; ERK, A.: Continous "Skin"-filtration of very difficult to separate suspensions. In: Proceedings of the 1&h Annual Conference of the American Filtration & Separation Society AFS, Atlanta, GA, USA (2005)
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ERK, A.: Einfluss Theologischer Stoffeigenschaften auf die verfahrenstechnische Funktion von Dekantern und Separatoren. In: GVC-Fachausschuss "Mechanische Flüssigkeitsabtrennung", Dresden (2007)
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ERK, A.: Rheologische Eigenschaften feindisperser Suspensionen während ihrer Fest-Flüssig- Trennung in Filtern und Zentrifugen, Universität Karlsruhe (TH), Dissertation, 2006
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ERK, A.; ANLAUF, H.; STAHL, W.: Fließeigenschaften feinstdisperser, gesättigter Haufwerke während ihrer Kompression im Zentrifugalfeld In: Chemie Ingenieur Technik 76 (2004), Nr. 10, S. 1494-1499
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ERK, A.; ANLAUF, H.; STAHL, W.; NIRSCHL, H.: Determination of shear yield stress of fine particulate sediments and filter cakes during solid-liquid separation. In: Proceedings of the Australian Colloid and Interface Symposium ACIS, Coogee, Sydney, Australia (2005)
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ERK, A.; ANLAUF, H.; STAHL, W.; NIRSCHL, H.: Experimentelle Untersuchungen und Simulation der Bildung und Verfestigung feinstdisperser Haufwerke bei Fest/Flüssig-Trennprozessen. In: Proceedings GVC/Dechema- Jahrestagungen, Wiesbaden (2005)
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ERK, A.; ANLAUF, H.; STAHL, W.; NIRSCHL, H.: NMR-lnvestigation and dynamic modelling of the local solids volume fraction during the compression of filter cakes. In: Proceedings of the Australian Colloid and Interface Symposium ACIS, Coogee, Sydney, Australia (2005)
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ERK, A.; HARDY, E. H.; ALTHAUS, T.; STAHL, W.: Filtration of colloidal suspensions - MRI investigation and numerical simulation In: Chemical Engineering & Technology 29 (2006), Nr. 7, S. 828-831
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ERK, A.; HARDY, E.; STAHL, W.; ANLAUF, H.: In-situ NMR-measurements during the filtration of fine participate suspensions and comparison with numerically calculated results. In: Proceed ings of the Filtech 2005, Wiesbaden (2005), S. I 537-544
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ERK, A.; LUDA, B.: Influencing sludge compression in solid-bowl centrifuges In: Chemical Engineering & Technology 27 (2004), Nr. 10, S. 1089-1093
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ERK, A.; STAHL, W.: Characterization and control of Theological properties of fine particulate sus pensions and its application to solid/liquid separation processes. In: Proceedings - World Filtration Congress, 9th, New Orleans, LA, USA (2004), S. 2360-2371
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ERK, A.; STAHL, W.: Rheology and surface chemistry effects during solid/liquid separation of fine particulate mineral suspensions. In: Proceedings of the Xth Int. Mineral Processing Symposium, Cesme-lzmir, Turkey, (2004), S. 317-324
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ERK, A.; STAHL, W.; ANLAUF, H.: Investigation of the Theological properties of fine particulate solidliquid- systems during their processing in filters and centrifuges. In: Proceedings of the Filtech 2005, Wiesbaden (2005), S. I 57-64
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HIEKE, M.; NIRSCHL, H.: Influence of salt concentration on the Theological properties during filtration of aqueous anorganic suspensions. In: Proceedings of the Filtech 2007, Wiesbaden (2007), S. 197-103
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SOBISCH, T.; LERCHE, D.; DETLOFF, T.; BEISER, M.; ERK, A.: Tracing the centrifugal separation of fine-particle slurries by analytical centrifugation In: Filtration 6 (2006), Nr. 4, S. 313-321
