CFD Simulation

Die Effizienz mehrphasiger Systeme mit Stoffaustausch wird durch die lokale Hydrodynamik bestimmt. Speziell in flüssig-flüssig Extraktionskolonnen unterliegt die Tropfengröße einer kontinuierlichen Änderung und beeinflusst somit den Phasenanteil sowie das Konzentrationsprofil der kontinuierlichen sowie dispersen Phase. Zur Berücksichtigung der Änderung wurden kommerzielle und OpenSource CFD Codes mit der Populationsbilanzmodellierung gekoppelt, die eine Berücksichtigung der lokalen Tropfengröße ermöglichen. Verschiedene Koaleszenz- und Zerfallsmodelle wurden untersucht und mit experimentellen Daten validiert. Die Berücksichtung von Stoffaustauschmodellen ermöglichte zudem eine Beschreibung des Konzentrationsprofils in der dispersen sowie der kontinuierlichen Phase.

Ebenso kann auf dieser Basis eine genauere Berechnung der axialen Dispersion mit Hilfe der Euler-Lagrange Modellierung erfolgen. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Daten bei unterschiedlichen Randbedingungen (Volumenströme, Drehzahl) sowie unterschiedlichen Kolonnentypen (Kühni, RDC) validiert.

Viele biologische und pharmazeutische Substanzen sind thermisch instabil. Bei Destillationen muss daher im Vakuum gearbeitet werden, was technisch in Packungskolonnen erfolgt. Im Rahmen dieses Arbeitsprojektes wurde die Art der Zwei- bzw. Dreiphasenströmung (Flüssig-flüssig-Gas) in einer geordneten Packung im Zusammenhang mit den beeinflussenden Parametern von Gas- bzw. Flüssigkeitsbelastung und Eigenschaften der Fluida (Viskosität, Oberflächenspannung, Benetzung usw.), durch CFD-Simulationen ermittelt und im Anschluss durch experimentelle Beobachtungen validiert. Die Phasengrenzfläche spielt bei den Trennverfahren, insbesondere für Stoff- bzw. Wärmeaustausch, eine wichtige Rolle.

Koaleszenzvorgänge spielen bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion eine entscheidende Rolle, jedoch nutzen die gegenwärtigen Modelle zur Tropfen-Tropfen-Koaleszenz willkürliche Anpassungsparameter, welche die Wirkung der einzelnen Phänomene auf die Koaleszenz pauschal berücksichtigen. Diese Anpassungsparameter gelten meist nur für ein Stoffsystem und einen Apparatetyp, wodurch das Modell seine Allgemeingültigkeit und Prädiktivität verliert. Insbesondere die Einflüsse von Salzen, Tensiden, pH-Wert und Stoffaustausch auf die Koaleszenz sind weitestgehend unverstanden. Im Rahmen dieses Projektes sollen Koaleszenzexperimente in einem Venturiapparat mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitskamera- und LIF–Messungen unter Berücksichtigung von pH-Wert, Ionenart und -konzentration, Tropfengröße, Stofftransportrichtung und Turbulenz durchgeführt werden, um deren Einflüsse auf die Koaleszenzeffizienz zu quantifizieren. Zur orts- und zeitaufgelösten Analyse und Beschreibung der Hydrodynamik des Koaleszenzvorganges soll ein CFD-Modell unter Berücksichtigung der Stofftransport- und Grenzflächenphänomene zur Unterstützung der experimentellen Untersuchungen entwickelt werden. Darüber hinaus dient die Verknüpfung von CFD und Experimenten als Grundlage zur Entwicklung eines physikalisch fundierten Modells zur Beschreibung der Koaleszenzeffizienz, wodurch eine verbesserte Vorausberechnung technischer Extraktionskolonnen erreicht wird.

Durch die Integration von Partikelpopulationsbilanzierung (PPB) in die CFD Strömungsrechnung ist man in der Lage, skalare Partikeleigenschaften (Größe, Rundheit etc.) lokal aufzulösen und somit bestehende Abrasionsmodelle zu verbessern. Die experimentelle Validierung der Partikelbewegung erfolgt am Versuchsstand mit Normsand-Wassermischungen, wobei hier die benötigte Strömungs- und Partikelmesstechnik (Phasen-Doppler-Anemometrie, Particle Image Velocimetry, Hochgeschwindigkeitskamera etc.) am Lehrstuhl vorhanden ist.