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http://dx.doi.org/10.25673/25404
Titel: | Untersuchung der Strömungsverhältnisse in einem Kristallisator mittels Kopplung zwischen Numerischer Strömungsmechanik (CFD) und Diskrete-Elemente-Methode (DEM) |
Autor(en): | Kerst, Kristin |
Gutachter: | Janiga, Gábor![]() Seidel-Morgenstern, Andreas ![]() Katterfeld, André ![]() |
Körperschaft: | Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik |
Erscheinungsdatum: | 2019 |
Umfang: | xix, 130 Seiten |
Typ: | Hochschulschrift![]() |
Art: | Dissertation |
Tag der Verteidigung: | 2019 |
Sprache: | Deutsch |
URN: | urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-255472 |
Schlagwörter: | Technische Strömungsmechanik |
Zusammenfassung: | Die Bevorzugte Kristallisation von Enantiomeren ist ein effizienter Trennprozess,
der derzeit das Thema intensiver Forschungsarbeiten ist. Das Prinzip beruht
auf dem Animpfen einer racemischen, übersättigten Lösung mit dem gewünschten
Enantiomer, welches anschließend selektiv kristallisiert. Durch die Realisierung des
Wirbelschichtprozesses in Rohrreaktoren können die Produkteigenschaften effektiv
kontrolliert werden. In den Rohrreaktoren ergibt sich ein spezifisches, von der Geometrie
abhängiges Geschwindigkeitsprofil innerhalb der Kristallisatoren, welches
den klassierenden Abzug bestimmter Kristallgrößen bei gleichzeitiger Enantiomerentrennung
ermöglicht. Die Positionierung der verschiedenen Kristallfraktionen
im Kristallisator ist dabei komplex und nicht-linear an die Strömungsverhältnisse
gekoppelt.
In der vorliegenden Studie sollen CFD-DEM-Simulationen (CFD: Computational
Fluid Dynamics; DEM: Discrete Element Method) zum Verständnis der Hydrodynamik
beitragen und wertvolle Informationen über den Prozess liefern, wie den
Austragungsanteil von Kristallen aus dem Kristallisator sowie Geschwindigkeiten
von
flüssiger Phase und Kristallen. Die CFD-DEM-Simulationen eines Einzelkristallisators
berücksichtigen alle Wechselwirkungen, die zwischen Kristallen und
fluider
Phase auftreten können, was bei vielen Partikeln zu einem hohen Rechenaufwand
führt. Im untersuchten Prozess sind mehrere Millionen Kristalle vorhanden und die
Prozessdauer beträgt mehrere Stunden. Dementsprechend muss ein Kompromiss
zwischen Anzahl simulierter Partikel und simulierter Rechenzeit gefunden werden.
Die CFD-DEM Simulationen werden somit nicht dazu verwendet den gesamten Prozess
zu simulieren, sondern kurze Zeitfenster des Prozesses im Detail zu untersuchen.
Zur Modelvalidierung der verwendeten Simulationsoftware werden in einem speziell
angefertigten Kristallisator aus Makrolon Kameramessungen der Geschwindigkeitsverteilung
einzelner Partikel durchgeführt. Die Messergebnisse stimmen in guter
Näherung mit den Simulationsergebnissen überein. Die so validierte Software wird
anschließend für theoretische Studien verschiedener Prozessbedingungen und eine
automatisierte, genetische Geometrieoptimierung genutzt. Preferential crystallization of enantiomers is an efficient separation process that is currently the topic of intensive research. The principle is based on seeding a racemic supersaturated solution with the desired enantiomer, which selectively crystallizes. Realizing a fluidized bed process in a tubular crystallizer, the product properties can be controlled effectively. Within the crystallizer equipped with a conical entrance section, a geometry-dependent velocity profile develops, which enables a classifying removal of certain crystal sizes while simultaneously separating the mixture of enantiomers. The positioning of the various crystal fractions in the crystallizer is complex and coupled non-linearly to the ow conditions. In the present study, CFD-DEM simulations (CFD: Computational Fluid Dynamics; DEM: Discrete Element Method) contribute to the understanding of hydrodynamics and provide valuable information about the process, e.g. velocities of the liquid phase as well as the crystals and the proportion of crystals removed from the crystallizer. The CFD-DEM simulations of a single crystallizer consider all interactions that may occur between the crystals and the uid phase. The computational time for the simulations increases with the number of simulated particles. In the examined process, several million crystals are present and the process lasts several hours. Accordingly, this required a compromise between the number of simulated particles and the computation time. Hence, the CFD-DEM simulations are not utilized to simulate the entire crystallization process, but to examine a short time frame in detail. To validate the model in the simulation software used, measurements of the velocity distribution of individual particles are carried out in a Makrolon crystallizer built specifically for this purpose. The measurement results agree with the simulation results to an acceptable approximation. The validated software was then employed for theoretical studies of various operating conditions and for an automated genetic-based geometry optimization. |
URI: | https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/25547 http://dx.doi.org/10.25673/25404 |
Open-Access: | ![]() |
Nutzungslizenz: | ![]() |
Enthalten in den Sammlungen: | Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik |
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Kerst_Kristin_Dissertation_2019.pdf | Dissertation | 48.83 MB | Adobe PDF | ![]() Öffnen/Anzeigen |