Matthias Mickler, M.Sc.

Bei einer Vielzahl von verfahrenstechnischen Prozessen in partikulären Systemen haben Partikeleigenschaften maßgeblichen Einfluss auf die Güte des Endproduktes. Eine In-Line Erfassung interner Kenngrößen, die ansonsten nur schwierig oder nicht präzise genug zugänglich sind, bietet daher ein großes Potential, vorhandene Verfahren hinsichtlich Produktqualität und -quantität zu optimieren. In-Line Bildanalyse erlaubt die Parameteridentifizierung und Prozessanalyse im frühen Verfahrensstadium und gestattet eine zielgerichtete Reaktion auf Prozessstörungen bzw. Optimierungsarbeiten in laufenden Prozessen. Die Echtzeit-Beobachtung bzw. modellgestützte Regelung basiert dabei auf Partikelpopulationsbilanzen, die Interaktionen zwischen Partikeln berücksichtigen und berechenbar machen.

• Optische Erfassung von Blasen, Tropfen und Feststoffen
• Größenordnung: 20 µm bis 20mm
• Repräsentative und konzentrationsbasierte Erfassung (Zählung) mit individueller Feststellung der Projektionsfläche und 2D-Form

Der Versuchsstand (siehe Abb. 1 u. 2) einer einstufigen Extraktionskolonne, mit der Bedingungen im Gegenstrom, Gleichstrom oder Batchbetrieb erzeugbar sind, besteht aus modular aufgebauten Glas- und Kunststoffschüssen, die je nach untersuchtem Volumen neu positioniert werden können. Bei verschiedenen Rührerdrehzahlen werden Zweiphasen-Messungen von Wasser/Isododekan durchgeführt.

Abb. 2 zeigt den modularen Aufbau des Versuchsstandes. Für die Untersuchung von Strömungseigenschaften stehen verschiedene Blatt- und Flügel zur Verfügung, die variabel positioniert werden können.

Den Kern der Bildanalyse bilden robuste Voting-Verfahren, die auch bei teilweiser Verdeckung eine Detektion und Größenschätzung der Partikel erlauben. Mittels kantenerhaltender Entrauschungsverfahren werden störende Bildartefakte entfernt und der zur Analyse nutzbare Kontrast der Objektgrenzen verstärkt. Dadurch wird es möglich, auch bei schwierigen Aufnahmebedingungen Partikelgrößenverteilungen zu erhalten.

Zur Untersuchung der bei Einbau der Messsonde entstehenden Beeinträchtigungen werden die axialen und tangentialen Strömungsverhältnisse in und um das Messvolumen mittels instationärer, einphasiger CFD-Simulationen mit Fluent 6.3 (Standard ke-Modell, RNG, Sliding-Mesh, 3 Fluidzonen, 8E+06 Zellen) untersucht. Die Modellvalidierung wird mittels Particle-Image-Velocimetry (PIV) vorgenommen.

Durch den verwendeten Aufbau lassen sich kontrastreiche und scharfe Bilder gewinnen. Abb. 3 zeigt aufsteigende Luftblasen. In Abb. 4 ist ein Screenshot aus Fluent dargestellt.

Eine ausreichend hohe Rührerdrehzahl vorausgesetzt, lässt sich eine gute Durchströmung des Messspalts erreichen. Diese CFD-Ergebnisse werden durch praktische Versuche in der Kolonne bestätigt. Die typische Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Messspalts liegt bei vs(Messsonde) = 0,1-0,2 m/s. Dabei treten geringe turbulente Ablöseeffekte um die Messsonde auf.

Insgesamt lässt sich die Ausbildung von mehreren großen Wirbelsystemen im oberen Bereich des Rührkessels feststellen. Die typische Fluidgeschwindigkeit in Rührernähe liegt bei vs(Rührer) = 0,3-0,8 m/s.

Die Bildanalyse eignet sich gut für die Auswertung von Tropfenschwärmen hinsichtlich Größe und Konzentration. Auch Informationen über Form und Geschwindigkeit lassen sich erhalten. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen einige Beispiele wie eine solche Auswertung abläuft.