Experiment und mathematische Modellierung zur Feststoffbildung bei der Sprühtrocknung

Die Sprühtrocknung wird in Produktionsprozessen verschiedener Zweige der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie eingesetzt. Bisher beruhen Auslegung und Steuerung von Sprühtrocknern hauptsächlich auf Empirie und Erfahrung. Dies ist vor dem Hintergrund stetig steigender Anforderungen jedoch nicht mehr zweckmäßig, weil eine gezielte Prognose und Steuerung der Produkteigenschaften auf diese Weise nicht möglich ist. Um ein tiefergehendes physikalisches Verständnis der Vorgänge während des Sprühtrocknungsprozesses zu erlangen und den Prozess somit besser steuern zu können, wird in der vorliegenden Arbeit ein Modell für die Trocknung eines Einzeltropfens bei gleichzeitiger Feststoffbildung entwickelt. Das Modell soll den gesamten Trocknungsverlauf, ausgehend vom reinen Lösungstropfen bis hin zum vollständig getrockneten Endprodukt beschreiben. Durch Einbindung des Einzeltropfenmodells in ein kommerzielles CFD-Programm (Kooperation mit LUAT, Universität Duisburg-Essen) ist es möglich, einen kompletten Sprühtrockner zu simulieren, um die entstehende mikroskopische Feststoffstruktur im Tropfen in Abhängigkeit von makroskopischen, verfahrenstechnischen Parametern und stoffspezifischen Größen vorhersagen zu können. Im ersten Trocknungsabschnitt werden die sich während der Trocknung ändernde Übersättigung im Tropfen und die daraus resultierende Partikelentstehung orts- und zeitaufgelöst berechnet. Sobald der Tropfen eine feste Hülle ausgebildet hat, beginnt der zweite Trocknungsabschnitt. Das Modell beschreibt nun das Wachsen und die Struktur der festen Hülle. Im Inneren des Tropfens ist es darüber hinaus möglich, eine sich aus Trocknungsgas oder Lösungsmitteldampf bildende Blase zu berücksichtigen. Um das Aufblähen, Schrumpfen und Brechen der Feststoffhülle beschreiben zu können, müssen Struktur und mechanische Eigenschaften der Feststoffhülle berücksichtigt werden. Die Wärme-, Stofftransport- und Feststoffbildungsvorgänge im Tropfen werden mit Modellansätzen (Ficksche Diffusion, Populationsbilanzen) detailliert beschrieben und mit Hilfe effizienter numerischer Verfahren gekoppelt gelöst. Die Schwerpunkte hierbei liegen in der Lösung der Differentialgleichungen in einem beweglichen Koordinatensystem sowie in der Kopplung von Verfahren zur Lösung partieller Differentialgleichungen unterschiedlichen Typs (parabolisch/hyperbolisch).