Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Charakterisierung, Simulation und Erprobung ausgewählter physikalischer Schaumzerstörungsverfahren in großskaligen Produktionsanlagen - Teilprojekt 8

 

Bei der technischen Produktion von Feinchemikalien sowie Lebensmitteln und Getränken kommt es häufig zu einer unerwünschten Schaumbildung, die zu wesentlichen Änderungen von Massen-, Impuls- und Energietransporteffekten sowie zu (bio)chemischen Umsetzungen – bis hin zur vollständigen Behinderung der Prozessierung – führen kann. Betroffen sind Kolonnen und Wäscher in der chemischen Industrie, wie Maische- und Fermentationsbehälter, Rührapparate, Brennblasen und Verstärkerkolonnen in der Lebensmittelproduktion.

Die unerwünschte Schaumbildung verursacht in Rektifikationskolonnen hohe Druckverluste, verringerte Durchsätze und eine reduzierte Trennleistung durch Rückvermischung; die finanziellen Folgen sind insbesondere für KMU groß. Die bisherige Behandlung des Problems erfolgt in der Praxis derzeit nur mittels hoher Sicherheitszuschläge und aufwändiger Trial-and-error-Versuche in Pilotanlagen.

Ziel des PLUS-Vorhabens ist es, aufbauend auf den Ergebnissen des DFG/AiF-Clustervorhabens „Simulation von Proteinschäumen“ in einem multidisziplinären Ansatz physikalisch basierte Maßnahmen zu erarbeiten, die zur Präventation, Inhibition und Zerstörung von Schäumen eingesetzt werden können. Das Gesamtvorhaben besteht aus 3 DFG- und 5 IGF-Teilprojekten.

Ziel von Teilprojekt 8, dem zentralen Koordinierungsprojekts des Gesamtvorhabens, ist die Modellierung, Simulation und Optimierung von Schaumzerstörungsmechanismen, die Konzeption und Erprobung von fluidmechanischen, thermischen und akustischen Aktoren sowie die Entwicklung einer leicht bedienbaren Nutzerplattform und eines Prognosetools für KMU.

Ergebniszusammenfassung:

In Arbeitspaket 1 wurden Versuchsmedien auf ihre Stoffgrößen vermessen, welche für die Entwicklung von Modellen herangezogen wurden. In AP 2 konnte ein Modell für die Simulation der Schaumzerstörung im Euler-Euler-Ansatz entwickelt werden. Hierbei wurden u.a. experimentelle Daten aus AP 1 und AP 3 genutzt. In der Simulation konnte gezeigt werden, dass die Nutzung einer gerichteten Strahlenquelle die Schaumhöhe nach bereits 15s um 10-20 % verringert werden kann, im Vergleich zu einem diffusen Strahler.

Diese Simulationen können in der Industrie für das Schaumverhalten in Anlagen genutzt werden.

In AP 3 wurden parallel an FS 1 ein Versuchsstand im Labormaßstab zur Untersuchung der physikalischen Aktoren gefertigt, um Daten für die Simulationen in AP3 bereitstellen zu können und experimentelle Untersuchungen für AP 4 und AP 5 durchführen zu können.

In AP 4 wurden umfassende, experimentelle Untersuchungen der Ultraschallzerstörung von Blasen durchgeführt. Es können erste Empfehlungen zur Positionierung der Aktoren sowie die Auswahl der Frequenzen in Kolonnen ausgearbeitet werden. In AP 5 & 6 wurden Versuche an einer DN300 Kolonne durchgeführt, die die Schaumentstehung in Abhängigkeit der strukturierten Packung und deren Geometrien, sowie die Entstehungsorte eruiert. Außerdem wurde die schaumzerstörende Wirkung akustischer Wellen in Kolonnen gefunden und eingehend untersucht.

In AP 7 wurde an FS 1 ein Demonstrator entwickelt, der im Pilotmaßstab industrienahe Gegebenheiten abbilden kann. Die Kombination unterschiedlicher Schaumzerstörungsmethoden (Ultraschall und Düse) wurde dabei getestet. Für AP 8 wurde ein Fragebogen zur Erstellung des Schaumkatasters erstellt und ausgewertet. Die Ergebnisse geben ein Überblick über die schaumrelevanten Probleme im industriellen Umfeld.

In AP9 wurde die Umsetzung eines Prognosetools auf Basis künstlicher neuronale Netze erzielt. So können die Neigungen verschiedener Anlagen zur Schaumbildung erfolgreich dargestellt werden.