Auslegung, Aufbau und Erprobung einer Durchflussküvette mit variabler optischer Weglänge für eine Inline-Partikelmesstechnik

Abstract

A flow cuvette, for the use of the static extinction method as inline measurement methods for average particle sizes and particle concentrations of emulsions and suspensions, was designed for this work. The aim was to achieve a low static pressure drop across the apparatus, without any significant losses in the measuring accuracy. During the construction, an FEM model was developed in NX Nastran© for the analysis of stress and deformation, as well as a simulation model in ANSYS Fluent© for the analysis of the flow conditions and particle trajectories. In order to determine the pressure drop across the apparatus and to save computing time, a simplified 2D model has been used. The simulation of the particle traces was carried out using a 3D model with one-way coupling. As a result, the particles showed different traces for a main flow in vertical or horizontal direction, due to the influence of gravity.

In addition to the numerical calculation, the developed design was tested experimentally. Measurement series for the determination of the pressure drop across the apparatus, for the validation of the simulation models, were carried out. Furthermore, average particle size for an O/W-Emulsion in an oil separation system were determined by measurement technology. The suitability for suspensions could not be provided within the framework of the test series.

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Durchflussküvette, für die Nutzung der statischen Extinktionsmethode als Inline-Messverfahren für mittlere Partikelgrößen und Partikelkonzentrationen von Emulsionen und Suspensionen, entworfen. Ziel war es, einen geringen statischen Druckverlust über der Apparatur, ohne maßgebliche Einbußen in der Messgenauigkeit, zu erzielen. Im Zuge der Konstruktion wurden zur Festigkeits- bzw. Verformungsanalyse ein FEM-Modell in NX Nastran© und zur Analyse der Strömungsverhältnisse und Partikelbahnen ein Simulationsmodell in ANSYS Fluent© erstellt. Um den Druckabfall über der Apparatur zu bestimmen wurde, um Rechenzeit einzusparen, ein vereinfachtes 2D-Modell verwendet. Die Simulation der Partikelbahnen wurde mit einem 3D-Modell, mittels Ein-Weg-Kopplung, durchgeführt. Dadurch konnten Unterschiede bei der Durchströmung in vertikaler, bzw. horizontaler Richtung, aufgrund der Wirkung der Schwerkraft,festgestellt werden.

Neben der numerischen Berechnung wurde die erarbeitete Konstruktion auf experimentellem Wege erprobt. Dabei wurden Messreihen zur Bestimmung des Druckabfalls über der Apparatur, zur Validierung der Simulationsmodelle, durchgeführt. Des Weiteren wurde die mittlere Partikelgröße einer O/W-Emulsion in einer Ölabscheideanlage messtechnisch bestimmt. Die Eignung für Suspensionen konnte im Rahmen der Versuchsreihen nicht erbracht werden.

Inhaltsverzeichnis

Abstract.. II

Kurzfassung.. III

Inhaltsverzeichnis.. I

Abbildungsverzeichnis.. II

Tabellenverzeichnis.. VI

Abkürzungs- und Symbolverzeichnis.. VII

1 Einleitung.. 1

1.1 Motivation.. 1

1.2 Zielsetzung.. 2

2 Theoretische Grundlagen.. 3

2.1 Grundlagen zu dispersen Systemen.. 3

2.2 Grundlagen der Fluidmechanik.. 8

2.3 Grundlagen zur optischen Partikelmesstechnik.. 14

2.4 Grundlagen der numerischen Strömungssimulation.. 21

2.5 Grundlagen zur Finite Elemente Methode.. 43

3 Konstruktion der Durchflussküvette.. 47

3.1 Anforderungsliste.. 47

3.2 Konzeptphase.. 47

3.3 Gestaltungs- und Ausarbeitungsphase.. 49

4 Numerische Berechnung.. 63

4.1 Aufbau der Berechnungsmodelle.. 63

4.2 2D-Simulation des statischen Druckverlusts.. 74

4.3 3D-Simulation der Partikelbahnen.. 81

5 Experimentelle Erprobung.. 90

5.1 Messung des statischen Druckabfalls.. 90

5.2 Partikelmessung.. 99

6 Auswertung.. 105

6.1 Validierung der Simulation.. 105

6.2 Optimiertes Küvettendesign.. 108

7 Zusammenfassung und Ausblick.. 110

8 Literaturverzeichnis.. 112

Anhang.. 115

1 Einleitung

1.1 Motivation

Disperse Systeme liegen in der Verfahrenstechnik in vielen Prozessen vor. Oft hängt die Qualität der erzeugten Produkte von der mittleren Partikelgröße, der Partikelgrößenverteilung, sowie der Partikelkonzentration ab. Speziell bei Emulsionen nehmen die Partikelgröße und die Partikelkonzentration erheblichen Einfluss auf die Stabilität der Emulsion.

Um Kenntnisse über jene charakteristischen Größen zur Kontrolle von Partikelprozessen zu erhalten, existieren diverse Messgeräte. Meist werden optische Methoden eingesetzt, da diese berührungslos arbeiten und die dispersen Systeme nicht beeinflussen. Anzuführen wären die Laserstreulichtspektroskopie, das Phasendopplerverfahren, sowie bildgebende Verfahren.

Allerdings sind diese Verfahren zumeist nicht für die Echtzeitüberwachung von Partikelprozessen („inline“) geeignet, da reproduzierbare Messungen nur unter Laborbedingungen mit zuvor entnommenen Proben durchgeführt werden können. Durch die so verursachte Zeitspanne zwischen Probenentnahme und dem Erhalt der benötigten Messwerte, können Abweichungen der maßgeblichen Prozessparameter lediglich zeitversetzt erkannt und korrigiert werden. Dies beeinflusst die Qualität der erzeugten Produkte und kann unter Umständen zum Verlust einer Charge führen.

Aus diesem Grund werden Messgeräte benötigt, welche inline und in Echtzeit die Partikelprozesse zuverlässig überwachen. Ein möglicher Ansatz nutzt die Extinktion, die Abschwächung eines die Dispersion durchdringenden Lichtstrahls. Durch die Auswertung einer Lichtintensitätsmessung können, auf statistischer Grundlage, Aussagen über die mittlere Partikelgröße und Partikelkonzentration getroffen werden. Dieses Verfahren wird als Statistische Extinktionsmethode bezeichnet. Da in vielen Fällen die Bestimmung dieser Parameter genügen, verfügt dieses Verfahren über das Potential in naher Zukunft an Bedeutung im Bereich der Inline-Messtechnik zu gewinnen.

Zum Einsatz der Statischen Extinktionsmethode in liquiden Stoffsystemen müssen bestimmte Bedingungen erfüllt werden. Hauptsächlich von Interesse hierbei ist der Zusammenhang von Extinktion und optischer Weglänge. Dabei muss die optische Weglänge entsprechend der Lichtdurchlässigkeit des Stoffsystems angepasst werden, um eine ausreichende Lichtintensität am Detektor zu gewährleisten.

Je nach Stoffsystem folgt, durch eine geringe optische Weglänge, ein lokal reduzierter Strömungsquerschnitt, welcher in einem erhöhten Strömungswiderstand, vor allem bei hochviskosen Fluiden, resultiert. In industriellen Anlagen würde dies zu erhöhten Kosten für die Nachrüstung solcher Apparaturen führen, da die Anlagenkennlinie maßgeblich beeinflusst wird.

Um einen niedrigen Druckabfall bei geringen optischen Weglängen zu gewährleisten wird nach einer konstruktiven Lösung gesucht.

1.2 Zielsetzung

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Konzept für eine Durchflussküvette mit variabler optischer Weglänge ausgearbeitet und konstruktiv ausgestaltet. Durch den Aufbau eines Simulationsmodells in Ansys ICEM CFD© und Ansys Fluent© soll für den verwendeten Strömungskanal der Durchflussküvette der Druckabfall, die Partikelbahnen und die Partikelabscheidung in den Medien Wasser und Glycerin numerisch berechnet werden.

Durch den Abgleich von numerisch berechnetem und experimentell ermitteltem Druckabfall über der Küvettenkonstruktion wird die Validierung des Simulationsmodells, im Zuge der experimentellen Erprobung, erbracht. Eine Partikelmessung wird mit einem vom Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik der TU Kaiserslautern entwickelten Statischen Extinktionssensor inline an einer O/W-Emulsion durchgeführt. In einem weiteren Schritt soll die Eignung für Suspensionen geprüft werden.

Nach Abschluss der experimentellen Erprobung, soll durch die Analyse der aus den experimentellen und den simulativen Untersuchungen gewonnen Erkenntnisse, das bestehende Küvettendesign optimiert werden.

2 Theoretische Grundlagen

In diesem Kapitel werden theoretische Grundlagen zur Partikelmesstechnik, der numerischen Strömungssimulation, sowie dispersen Systemen (hier: Emulsionen und Suspensionen) und der Fluidmechanik erläutert.

2.1 Grundlagen zu dispersen Systemen

Disperse Systeme oder Dispersionen bestehen aus einer äußeren, bzw. kontinuierlichen Phase, dem Dispergiermittel und einer inneren Phase, der dispergierten oder dispersen Phase. Jene Phasen, welche sich im Aggregatzustand, im Energiezustand und/oder in der chemischen Zusammensetzung unterscheiden, werden durch eine Phasengrenzfläche getrennt (Schubert, 2010).

Die gängigen Bezeichnungen für disperse Systeme finden sich in Tabelle 2.1.

[Abbildungen und Tabellen sind nicht enthalten in dieser Leseprobe.]

Tabelle 2.1: Bezeichnung disperser Systeme

Als Schäume, Emulsionen bzw. Suspensionen werden üblicherweise Systeme mit einer fluiden äußeren Phase bezeichnet. Ein Sonderfall stellen feste Schäume, feste Emulsionen und feste Suspensionen dar. Dabei erstarrt die kontinuierliche Phase erst nach Abschluss des Dispergierprozesses und es entstehen sogenannte feste Dispersionen. Beispiele hierfür sind Schaumstoffe, Montageschäume, Metallschäume, Produkte der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie, Lacke und Zement. (Kickelbick, 2008).

Da für diese Arbeit lediglich Emulsionen und Suspensionen von Interesse sind wird sich im Folgenden auf diese Arten von dispersen Systemen beschränkt.

2.1.1 Emulsionstypen

„Emulsionen sind disperse Mehrphasensysteme, die aus mindestens zwei ineinander nahezu unlöslichen Flüssigkeiten bestehen. Ein wesentliches Merkmal von Emulsionen sind isolierte Bereiche der dispersen Phase, die sich sich in der äußeren Phase befinden.“ (Schubert, 2010)

Einfache Emulsionen setzen sich aus einer wasserartigen, bzw. hydrophilen und einer ölartigen, bzw. lipophilen Flüssigkeit zusammen. Dabei bildet die innere Phase isolierte Tropfen aus. Je nach Art der inneren Phase werden solche Systeme als Wasser-in-Öl (W/O)- oder Öl-in-Wasser (O/W)-Emulsionen bezeichnet. Allerdings existieren ebenfalls Emulsionen höherer Ordnung, auch als Polyphasenemulsionen bezeichnet. Einfachster Vertreter ist die Doppelemulsion, deren äußere Phase z.B. wasserartig ist, während die innere Phase aus einer W/O-Emulsion besteht. (Stieß, 1990) und (Schubert, 2010)

Diese drei Grundtypen sind in Abbildung 2.1 dargestellt.

[Abbildungen und Tabellen sind nicht enthalten in dieser Leseprobe.]

Abbildung 2.1: Grundtypen von Emulsionen

Die Eigenschaften der Emulsion hängen dabei bis zu einem Volumenanteil der inneren Phase von 30% hauptsächlich von der äußeren Phase ab. Das Verhältnis von innerer zu äußerer Phase wird als Phasenvolumenverhältnis bezeichnet. (Schubert, 2010)

2.1.2 Stabilität von Emulsionen

Die wichtigste Eigenschaft einer Emulsion ist ihre Stabilität, dabei wird zwischen physikalischer, mikrobiologischer und chemischer Stabilität unterschieden. Im Folgenden von Interesse ist die physikalische Stabilität, diese gibt die Beständigkeit der Emulsion gegen Veränderungen des dispersen Zustands an. Eine Emulsion ist physikalisch stabil wenn ihre Tropfengrößenverteilung weder von Ort noch Zeit abhängt. Ist eine Emulsion nicht stabil kommt es zu den in Tabelle 2.2 aufgeführten Mechanismen der Phasentrennung.

[Abbildungen und Tabellen sind nicht enthalten in dieser Leseprobe.]

Tabelle 2.2: Mechanismen der Phasentrennung von Emulsionen

Da Emulsionen thermodynamisch instabil sind, hängt die Ausbildung jener Mechanismen in hohem Maße von der Temperatur und dem pH-Wert der Emulsion ab. In werden jene Vorgänge, welche für die physikalische Instabilität von Emulsionen verantwortlich sind schematisch dargestellt.

Durch die Zugabe von Emulgier-Hilfsstoffen können diese Erscheinungen, zumindest zeitweise verhindert werden. Es wird zwischen Emulgatoren und Stabilisatoren unterschieden.

[Abbildungen und Tabellen sind nicht enthalten in dieser Leseprobe.]

Abbildung 2.2: Physikalische Instabilitäten einer Emulsion

Emulgatoren gehören zur Stoffklasse der Tenside. Die Moleküle bestehen aus einem hydrophilen und einem lipophilen Teil. Aufgrund dieser Eigenschaft können die Emulgatormoleküle an der Phasengrenzfläche adsorbieren (siehe Abbildung 2.3).

Durch den ambiphilen Charakter von Emulgatoren ergeben sich folgende Wirkmechanismen:

· Verringerung der Grenzflächenspannung zwischen disperser und kontinuierlicher Phase.

Erleichterte Tropfenzerkleinerung beim Emulgieren, da tropfenerhaltende Kapillarkräfte proportional der Grenzflächenspannung sind.

· Emulgatormoleküle bilden an den Phasengrenzflächen sterische und/oder elektrostatische Barrieren zwischen den Tropfen.

Koaleszenz der inneren Phase wird unterbunden.

· Aufgrund der Emulgatormolekülarmut im Zwickelbereich zwischen zwei Tropfen und somit des hohen Konzentrationsgradienten nach dem Tropfenaufbruch bildet sich ein Bereich höherer Grenzflächenspannung.

Der Emulgatorfilm bewegt sich in Richtung der höheren Grenzflächenspannung und zieht Moleküle der kontinuierlichen Phase mit in den Zwickelbereich (Marangoni-Effekt).

Eine ähnliche Wirkweise kann durch die Zugabe von Nanopartikeln erzielt werden. Diese lagern sich bevorzugt an der O/W-Grenzfläche an und verhindern durch sterische Effekte die Tropfenkoaleszenz. Derartige emulgatorfreie Emulsionen werden auch als Pickering-Emulsionen bezeichnet (Schubert, 2010).

Tensidmolekül mit hydrophilem und lipophilem Molekülanteil

[Abbildungen und Tabellen sind nicht enthalten in dieser Leseprobe.]

Abbildung 2.3: Aufbau und Wirkprinzip von Emulgatoren

Einige Substanzen (z.B. Proteine) können gleichzeitig als Emulgatoren und Stabilisatoren wirken. Als Stabilisatoren werden Makromoleküle bezeichnet, welche die Viskosität der kontinuierlichen Phase erhöhen und so die Beweglichkeit und damit die Koaleszenzwahrscheinlichkeit der Tropfen verringern. Zudem sinkt die Sedimentationsgeschwindigkeit.

2.1.3 Suspensionen

Als Suspension wird ein heterogenes Stoffgemisch aus einer flüssigen Phase und darin dispergierten Feststoffpartikeln bezeichnet. Jene Partikeln werden meist mit geeigneten Apparaten, sowie zusätzlicher Dispergiermittel aufgeschlämmt und in der Schwebe gehalten. Sedimentationserscheinungen und der Phasentrennung wird daher entgegengewirkt. Suspensionen auf Wasserbasis werden als Aufschlämmung bezeichnet. Diese werden unterteilt in grobe Suspensionen (mittlere Partikelgröße 0,1 bis 1 mm), feine Suspensionen (1 bis 100 Mikrometer), Dispersionen (1 Mikrometer) und Molekulardispersionen (1 nm) (Lagaly, Schulz, & Zimehl, 1997).

Um die Agglomeration von Suspensionen zu kontrollieren, bzw. eine definierte Partikelgrößenverteilung einzustellen, hat es sich als zielführend erwiesen das Zetapotential – ein Maß für die elektrische Ladung der Partikeln – zu beeinflussen. Eingesetzt werden Suspensionen zum Beispiel bei der Herstellung von Weizenbier und pharmazeutischen Produkten, als Kühl-Schneidmittel in der Halbleiterindustrie und als mineralische Suspension in der Beton- und Mörtelherstellung (Kickelbick, 2008).

Da Suspensionen in der Verfahrenstechnik lediglich eine untergeordnete Bedeutung zugeschrieben werden, soll im Folgenden nicht detaillierter auf diese eingegangen werden.

2.2 Grundlagen der Fluidmechanik

2.2.1 Fluidströmung im Strömungskanal

Bei der Beurteilung der Strömungsform wird grundsätzlich zwischen Durch- und Umströmung, sowie zwischen laminarer und turbulenter Strömung unterschieden. Laminare und turbulente Strömungsformen gehen durch einen Übergangsbereich fließend einander über. In diesem Kapitel soll lediglich die Strömung von einphasigen inkompressiblen Fluiden betrachtet werden.

Laminare Strömungen kennzeichnen sich durch parallele Stromlinien, welche der Hauptströmung folgen und eindeutig durch Geometrie und Reynoldszahl definiert sind. Nach Störungen stabilisiert sich die Strömung erneut in ihrer Ausgangsform.

Turbulente Strömungen sind von stark fluktuierenden Wirbelstrukturen und damit einem erhöhten Queraustausch der Transportgrößen geprägt. Durch die instationäre Natur dieser Strömungsform ist das Bild einer turbulenten Strömung bei gleicher Geometrie und Strömungszahl lediglich im Mittel gleich und unterliegt stochastischen Schwankungen. Diese machen die Simulation dieses dreidimensionalen, instationären Phänomens sehr aufwändig und anspruchsvoll.

Abbildung 2.4 verdeutlicht den Unterschied zwischen den geordneten Stromlinien einer laminaren Strömung und dem von Wirbelstrukturen geprägten Erscheinungsbild einer turbulenten Strömung.

[Abbildungen und Tabellen sind nicht enthalten in dieser Leseprobe.]

Abbildung 2.4: Laminare (oben) und turbulente (unten) Umströmung eines Kreisprofils

Turbulente Strömungsformen sind lediglich im Ein- und Auslassbereich zu erwarten, in den für die Partikelmessung interessierenden Bereichen kann von einer laminaren Strömung ausgegangen werden. (Spurk & Aksel, 2010) liefern eine detaillierte Erläuterung zum Phänomen der turbulenten Strömungen.

2.2.2 Partikelbewegung im Schwerefeld

2.2.2.1 Wirkende Kräfte auf Partikeln im Fluid

Grundsätzlich übt das Fluid auf die Partikeln eines dispersen Systems Kräfte aus (siehe Abbildung 2.5). Diese können in Oberflächen-, Massenkräfte und weitere Feldkräfte (elektrische und magnetische) sowie Diffusionskräfte eingeteilt werden. In diesem Abschnitt werden jedoch nur Oberflächen- und Massenkräfte näher erläutert, da dies die einzigen im Rahmen der Arbeit in relevantem Maße wirkenden Kräfte sind. Alle Partikeln werden vereinfachend als kugelförmig betrachtet.

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