Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Batch-Phasentrennung von zweiphasigen Flüssig-Flüssig Systemen in Rührbehältern

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer zuverlässigen, modellgestützten Scale-up-Methodik für die Batch-Phasentrennung gerührter zweiphasiger Flüssig-Flüssig-Systeme zur Vorhersage und Optimierung von Dispergierung und Phasentrennung im technischen Maßstab. Dies verlangt die simultane Betrachtung der physikalischen Phänomene Dispergierung und Phasentrennung, um ein Gesamtoptimum erreichen zu können. Besonderes Augenmerk wird auf die Tropfengrößenverteilung und die sich aus ihr ergebenden Effekte gelegt, z. B. auf die zeitabhängige Resttrübe als Verunreinigung der Hauptphasen.

Die Scale-Up-Methodik wird anhand von Versuchen in drei Maßstäben und einer zugehörigen Modellierung entwickelt und validiert. Ausgangspunkt sind Versuche im Labormaßstab (1L), die ähnlich der für kontinuierliche Abscheider verfügbaren Henschke-Methode durch die quantitative Analyse eines Absetzversuches die Charakterisierung der stoffsystemspezifischen Koaleszenz- und Dispergier-Eigenschaften als Basis für den Scale-Up ermöglichen. Hierzu werden beide Phänomene tropfenbasiert modelliert und die Simulationen mit experimentellen Ergebnissen u. a. zum zeitabhängigen Holdup-Verlauf und zur Tropfengrößenverteilung mit unterschiedlichen Stoffsystemen validiert. Eine weitere Validierung erfolgt im 30-L-Maßstab sowie mit gezielten Versuchen im technischen Maßstab (500 L). Das Projektergebnis stellt eine validierte, modellgestützte Scale-Up-Methodik dar.

Die gegenwärtig bestehenden Kenntnislücken bei der Auslegung von Batch-Abscheidern führen für KMUs zu einem teilweise unkalkulierbaren finanziellen Risiko. Mit einer sicheren Scale-up Methodik, die auch den wesentlichen Einfluss von Spurenkomponenten berücksichtigt, lassen sich Produktivität und Ressourceneffizienz von Batchprozessen deutlich steigern. Nutznießer der Projektergebnisse sind sowohl KMUs aus dem produzierenden Gewerbe als auch solche aus dem Bereich Apparatedesign und Anlagenbau.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen in drei unterschiedlichen Maßstäben mit zwei unterschiedlich viskosen Paraffinölen durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Vorgehensweise, Versuche mit quasi „realem" Stoffsystem aus dem großen Maßstab durchzuführen, sinnvoll ist, da diese Stoffsysteme deutlich andere Koaleszenzeigenschaften aufweisen können als „reine" Stoffsysteme im Labormaßstab. Es wurde bei beiden Stoffsystemen eine unerwartete Änderung des Koaleszenzverhaltens und damit der Phasentrennung während einer Versuchsreihe in den drei Maßstäben beobachtet. Als Ursache der Änderung der Koaleszenzeigenschaften wurden Verschmutzungen im großen Maßstab, aber auch Alterungseffekte und Chargenabhängigkeiten vermutet. Diese Änderung war in Wiederholungsmessungen reproduzierbar. Dadurch fehlte es allerdings an verlässlichen Daten für die Modellierung, vor allem der Phasentrennung, und somit für die Ableitung einer Scale-up-Methodik. Zumindest für das Scale-up der Tropfengrößenverteilungen zeigte das Kriterium des konstanten spezifischen Leistungseintrags gute Anwendbarkeit in den untersuchten Maßstäben. Ziel der Modellierung, die auch nach Projektlaufzeitende fortgeführt wird, bleibt aber die Vorhersage von Tropfengrößenverteilung und Phasentrennung in unterschiedlichen Maßstäben basierend auf demselben Koaleszenzmodell nach Henschke. Vielversprechend für diesen Ansatz ist die Nachvollziehbarkeit der Änderung der Koaleszenzeigenschaften anhand des im Modell von Henschke enthaltenen Koaleszenzparameters. Eine Alternative zur Verwendung von realen Stoffsystemen könnte die Identifikation und Etablierung von Standardstoffsystemen speziell für die L/L-Phasentrennung darstellen. Neben der Schaffung einer experimentellen Datenbasis für die Ableitung einer zuverlässigen Scale-up Methodik unter Einbindung der hier entwickelten Messmethoden, wäre dann eine zeitnahe Umsetzung und direkte Anwendung der bereits erzielten und der geplanten Ergebnisse in KMU möglich.