Sprühtrocknen partikelgenau unter der virtuellen Lupe

Sprühgetrocknete Granulen: Je nach Wahl der Prozess- und Suspensionsparameter kann die Simulation dichte (links), poröse oder hohle (rechts) Granulen erzeugen (© Fraunhofer IWM)

 

Mit einer am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM entwickelten Simulationsmethode ist nun exakter nachvollziehbar, wie sich die Teilchen im Lösungsmittel während des Sprühtrocknens verhalten. Damit können Pulver- und Granulathersteller gezielter die Eigenschaften ihrer Produkte einstellen und ihren Ausschuss verringern.

Bisher ist es bei Granulat- und Pulverherstellern unüblich, Simulationen auf Granulenebene für Produktverbesserungen zu nutzen. Um neue Produkte zu entwickeln oder Prozesse zu optimieren, waren die Hersteller bisher auf Versuch und Irrtum angewiesen. Die Vorgänge beim Sprühtrocknen sind jedoch von vielen Prozessparametern sowie vom Materialverhalten der Flüssigkeit und der darin gelösten Teilchen beeinflusst. Das Fraunhofer IWM hat nun eine neue Simulationsmethode entwickelt: Eine gekoppelte Teilchen- und Strömungssimulation zeigt die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und der Suspension auf. „Dabei fließen die verschiedenen Teilchengrößen und ihre Anordnung in der Flüssigkeit mit ein“, erklärt Thomas Breinlinger, Simulationsexperte am Fraunhofer IWM. „Wir können zum Beispiel erfassen, ob sich die kleinen Teilchen vermehrt außen und die größeren eher innen befinden oder wie sie sich in der Flüssigkeit während des Prozesses bewegen.“ Das neue numerische Modell kombiniert die am Fraunhofer IWM langjährig etablierten Partikel- und Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics CFD und Diskrete Element Methode DEM). Die Simulation der Trocknungstechnik »Sprühtrocknen« ist bereits bei Keramikgranulaten erfolgreich im Einsatz, kann aber auch für Pulver und Granulate der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Auch Hersteller von Trocknungsanlagen können von der Simulation profitieren wenn es darum geht, die Entstehung der Granulen und ihrer Struktur besser zu verstehen.

Mit Simulationen die Wirtschaftlichkeit erhöhen

Mit der neuen Methode können Granulathersteller besser verstehen, wie ihr Produkt entsteht und was während der Produktion die Granulatqualität beeinträchtigt. Dabei wird deutlich, welche der modellierten Einflussfaktoren tatsächlich relevant sind, um die Produktqualität zu verbessern oder eventuelle Probleme zu lösen. Die Prozesssimulation kann zudem die Entwicklung neuer Produkte unterstützen und so helfen, Entwicklungskosten zu sparen. In einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG geförderten Projekt haben die Expertinnen und Experten am Fraunhofer IWM unterschiedliche Keramiksuspensionen simuliert und dabei ihre Unterschiede erfasst.

Die Werkstoffspezialistinnen und -spezialisten suchen nun Industriepartner, um deren speziellen Sprühtrocknungsprozess nachzustellen. Momentan betrachten sie die energetischen Potenziale zwischen den Partikeln in einer angenäherten Form und berechnen ein »verschmiertes« Suspensionsverhalten. Zukünftig möchten sie diese Parameter in einer weiter detaillierten Simulation am konkreten Anwendungsfall validieren.

 

Kontakt: Thomas Breinlinger, Telefon +49 761 5142-461