Feine kristalline Partikel im Bereich von etwa 10nm bis ca. 10µm werden häufig über das Verfahren der Fällungskristallisation erzeugt. Diese Partikel finden ihre Anwendung unter anderem in pharmazeutischen Wirkstoffen, als Pigmente und Additive in der Farbstoffindustrie sowie zum Beispiel als Einsatzstoffe in der Katalysatorherstellung. Dabei stellt eine klar definierte Produktqualität wie zum Beispiel eine einheitliche, möglichst enge Partikelgrößenverteilung oder eine uniforme Morphologie der Kristalle hohe Anforderungen an den Prozess. Bei der Fällungsreaktion werden zwei meist ionische Reaktanten in wässriger Lösung miteinander in Kontakt gebracht. Die Reaktion der Salze unter Bildung eines schwer löslichen Produktes führt zu einem abrupten Überschreiten des Löslichkeitsprodukts und damit zu einer hohen Übersättigung der Mischzone. Diese Übersättigung dient als Triebkraft für das Entstehen und das Wachstum von Kristallen.

Projektziel

Ziel des Forschungsvorhabens im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms SPP 1679 „Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse“ ist die Entwicklung einer multivariaten Methode zur Simulation technischer Fällungsprozesse. Dabei sollen gezielt vorhandene Defizite bei der zeitlichen und lokalen Auflösung vorhandener CFD-Modelle für den technischen Maßstab minimiert werden.

Das Vorhaben nimmt Abstand von der etablierten rein CFD-internen Kopplung von Strömungsmechanik und Populationsbilanzmodellierung, die nur eine parallelisierte Zeitskalenrechnung im Maßstab von Sekunden zulässt. Vielmehr soll eine dynamisch- vernetzte Methodik entwickelt werden, die ein alternierendes Wechselspiel zwischen den zwei zeitskalenentkoppelten Modulen CFD und Populationsbilanz zulässt. Mittels der CFD-Strömungssimulation wird das transiente Strömungs- und Übersättigungsfeld im Apparat ermittelt.

Video 1: Instationäres Strömungungsfeld im T-Mischer

Unter Verwendung von Fundamentalkinetiken für Keimbildung, Wachstum und Aggregation können so über den Apparat gemittelte Wachstums-, Keimbildungs- und Aggregationsraten ermittelt werden. Diese Raten sollen an eine populationsdynamische Rechnung übergeben werden, mit der weitskaligere Prozesszeiten von einigen Sekunden bis Minuten vorausberechnet werden können. Die neu entstandenen Prozesszustände und die Größe der Partikelphase werden schließlich wieder an die CFD Rechnung zurückgegeben. Dabei besteht durch die Bereitstellung der Raten aus der CFD auch die Möglichkeit, die Populationsbilanzrechnung-Rechnung in das übergeordnete SPP-"Rahmensystem für die dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse" zu integrieren.

Weiterer wesentlicher Konzeptbaustein der zu entwickelten Methodik ist die sinnvolle Abstraktion technischer Reaktoren in prozessbestimmende Kompartments, d.h. vernetzte Bilanzräume, die eine vollständige Beschreibung des Gesamtsystems zulassen. So sollen mit der Methodik neben der bereits erwähnten hohen zeitlichen Flexibilität auch große lokal nicht aufzulösende Bilanzräume bewältigt werden.

Link zum Schwerpunktprogramm:
SPP1679