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Dynamische Simulation technischer Fällprozesse

Dynamische Simulation technischer Fällprozesse
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Die Fällungskristallisation ist in vielen Prozessen der chemischen oder pharmazeutischen Industrie eine wichtige verfahrenstechnische Grundoperation. Die Eigenschaften des Zielprodukts (z.B. Fließeigenschaften oder Trocknungsverhalten) werden dabei maßgeblich von charakteristischen Merkmalen der Feststoffpartikel wie der mittlere Partikelgröße, Eigenschaften der Verteilung oder der Partikelmorphologie bestimmt. Eine Vorhersage dieser Eigenschaften mit geeigneten Simulationsmodellen in Abhängigkeit von Prozessparametern der zur Fällung verwendeten technischen Apparate ist daher für die gezielte Einstellung dieser Produkteigenschaften von großer Bedeutung.

Aus ökonomischen Gründen werden für die Fällungskristallisation in der Industrie hohe Übersättigungen eingesetzt, wodurch Primärprozesse bereits nach wenigen Millisekunden bis Sekunden abgeschlossen sind. Als technischer Apparat wird in der industriellen Praxis vor allem der Rührkessel für die Fällungskristallisation verwendet. Rührkessel sind aufgrund der sich ausbildenden inhomogenen Vermischungszonen und der undefinierten Verweilzeit schwer zu modellieren. Reine CFD-Simulationen technischer Fällungsreaktoren mit der Multi-Fluid-Methodik (Euler-Euler) oder mit Euler-Lagrange/Discrete Particle Model (DPM) – Ansätzen können nur für sehr kleine Simulationszeiten durchgeführt werden.

Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1679 „Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse“ wird ein Fließschemamodul für die prädiktive Vorhersage von Produktpartikelverteilungen bei der Fällungskristallisation im Rührkesseln entwickelt. Zielstellung ist es, trotz einer für die Fließschemasimulation notwendigen, kurzen Simulationszeit, verlässliche Aussagen zur entstehenden Partikelgröße und Partikelverteilung zu ermöglichen.

Dafür wird mittels eines Kompartment-Ansatzes das experimentell und über CFD-Simulation schwer zu erfassende Gesamtsystem Rührkessel als Vernetzung eines Mischungs- und eines Verweilzeitkompartments beschrieben. Dieses Short-Cut Modell ermöglicht es, Fällprozesse im technischen Maßstab mit tolerierbarem Rechenaufwand auf normalen Arbeitsplatzcomputern zu rechnen.