Die Synthese feinster Partikel wurde im vergangenen Jahrzehnt intensiv erforscht und stellt weiterhin ein interessantes Forschungsgebiet mit hohem Innovationspotential dar. Die Abtrennung und Konfektionierung der synthetisierten Partikel ist jedoch nur wenig erforscht, besonders wenn die Partikel in Form einer Dispersion vorliegen. In der Gasphase sind Filter im Einsatz, jedoch können diese in der Fest-Flüssig-Trennung nur bedingt eingesetzt werden, um feinste Teilchen abzuscheiden oder zu klassieren. Dies liegt an den hohen Filtrationswiderständen des Filterkuchens bei der Kuchenfiltration und dem hohen Durchströmungswiderstand von Tiefenfiltern. Bei Tiefenfiltern ist zudem die Reinigung schwierig, meistens kann das abgeschiedene Produkt nicht mehr zurück gewonnen werden.
Der Einsatz von Zentrifugen stellt hier eine sinnvolle Alternative zu den filtrierenden Verfahren dar. Die Apparate erreichen hohe Trenngrade und es lassen sich hohe Durchsätze realisieren, die für die industrielle Umsetzung eines Prozesses von wirtschaftlicher Bedeutung sind. Zurzeit liegt die Trenngrenze bei etwa 1 μm und einem Dichteunterschied von Faktor 2. Die Abscheidung und Klassierung von feineren Teilchen oder Teilchen mit einem geringeren Dichteunterschied ist bisher nur auf Laborzentrifugen möglich. Dieses Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit den notwendigen Grundlagen, um die Trennung und Klassierung feinster Partikel im Prozessmaßstab umzusetzen. Hierbei werden systematisch die Einflüsse der Betriebsparameter, der Versuchsprodukte und der Strömungsverhältnisse untersucht.
Die Sedimentation im Zentrifugalfeld hängt maßgeblich von den Betriebsbedingungen und der Eigenschaften der Partikel ab. Hohe Drehzahlen und niedrige Durchflüsse begünstigen die Sedimentation, feine Partikel erschweren diese. Die Partikel müssen vollständig dispergiert vorliegen, um diese nach der Größe unter der Vorraussetzung der Einzelkornsedimentation klassieren zu können. Diese Zusammenhänge können durch die Messung der Ladungsverteilung und der Partikelgrößenverteilung analysiert und bewertet werden.
Die Strömungsbedingungen in der Röhrenzentrifuge wurden mittels der Laser-Doppler-Anemometrie vermessen, um Hinweise für eine verbesserte Konstruktion und die Berechnung des Trenngrades ableiten zu können. Zu diesem Zweck wurde eine Röhrenzentrifuge konstruiert und gebaut, die die Messung der Strömungsverhältnisse im gesamten Verfahrensraum ermöglicht. Die Analyse der Verweilzeitverteilungen bestätigen die Lasermessungen. Diese Arbeit stellt zusammen mit der Bestimmung der Trennleistung den Schwerpunkt des Forschungsprojektes dar.
Die gewonnenen Ergebnisse ermöglichen die Weiterentwicklung dieses Zentrifugentyps und zeigen, dass die Abscheidung und Klassierung von feinsten Partikeln und biologischen Produkten in Röhrenzentrifugen auch im Pilotmaßstab möglich ist. Mehrere feinstdisperse Produkte konnten erfolgreich abgetrennt und zum Teil klassiert werden. Die Messung der Strömungsverhältnisse konnte für zwei verschiedene Rotoranordnungen erfolgreich durchgeführt werden. Die Ergebnisse haben wertvolle Erkenntnisse für weitere Entwicklungsarbeiten erbracht.
Forschungsstelle: KIT Karlsruhe, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik
Projektleiter: Dipl.-Ing. L Spelter
Leiter der Forschungsstelle: Prof. H. Nirschl
Laufzeit: 01.06.2008-30.09.2010
Betreut durch: AK 3
Das IGF-Vorhaben Nr. 15642 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.