Authors: Mescher, Axel
Title: Einfluss der Gasführung in Sprühtrocknern auf den Fadenzerfall an Rotationszerstäubern
Other Titles: Analyse und Optimierung
Language (ISO): de
Abstract: Bei der Sprühtrocknung von Lösungen oder dispersen Systemen ist eine enge Tropfengrößenverteilung des Zerstäubers notwendig, um ein hochwertiges Feststoffprodukt mit enger Korngrößenverteilung zu erzielen. Enge Tropfengrößenverteilungen können durch Flüssigkeitsfadenzerfall an Rotationszerstäubern erzielt werden. In Zerstäubungsversuchen außerhalb des Sprühtrockners, insbesondere an Brausen, werden enger verteilte Tropfengrößen beobachtet als im Sprühtrockner. Es wird gezeigt, dass dies mit der Gas/Flüssigkeits-Wechselwirkung zwischen den Flüssigkeitsfäden und dem Heizgas im Sprühtrockner erklärt werden kann. Die Art und Ausprägung der Gas/Flüssigkeitswechselwirkung der Fäden wird analysiert und es wird gezeigt, dass eine relative Anströmung der Fäden quer zu deren Längsachse vorliegt. Diese relative Queranströmung ist nicht intensiv genug, um zu einer unmittelbaren Zerstäubung der Fäden zu führen, ist aber stark genug, um zu einer sichtbaren Deformation und zu einer Störung des Fadenzerfalls zu führen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die quantitative Charakterisierung des Einflusses dieser Queranströmung. Darüber hinaus wird eine Optimierungsstrategie entwickelt, die eine geringstmögliche Störung des Fadenzerfalls durch die Gas-Flüssigkeits- Wechselwirkung im Sprühtrockner erlaubt. Hieraus wird ein Konzept entwickelt, das eine geeignete Heißgasführung im Sprühtrockner vorsieht. Es werden zwei Typen von Heißgasverteilern vorgestellt, die das Heißgas so in den Trockner einleiten, dass die resultierende Gasströmung dem entwickelten Konzept genügt. Die beiden Gasverteilertypen unterscheiden sich in ihrem apparativen Aufwand aber auch im erzielbaren Vorteil bzgl. der Tropfen- und Korngrößenverteilung. Die verwendeten Methoden zur quantitativen Untersuchung des Fadenzerfalls unter Queranströmung bzw. zur apparativen Umsetzung des Optimierungskonzepts kombinieren das klassisch ingenieurwissenschaftliche Werkzeug der Dimensionsanalyse und der Modelltheorie mit numerischer Strömungssimulation. Modellversuche zum Zerfall angeströmter Flüssigkeitsfäden im Schwerefeld zeigen, dass niedrigste Gas- Relativgeschwindigkeiten der Flüssigkeitsfäden - auch im Sprühtrockner – zu einem optimalen Zerstäubungsergebnis führen. Im Rahmen der Entwicklung des optimierten Heißgasverteilers wird gezeigt, dass die Ergebnisse der Modellversuche weitgehend auf die Rotationszerstäubung übertragbar sind. Darüber hinaus stellen die Ergebnisse der Modellversuche eine neue und breite Datenbasis zum Zerfall quer angeströmter Flüssigkeitsstrahlen dar.
In spray drying processes narrow droplet-size-distributions have to be ensured, in order to achieve a high quality product, exhibiting a narrow particle-size-distribution (PSD). Narrow distributed drop sizes can be produced by rotary atomizers, operated in the regime of laminar thread break-up. However, in atomization experiments outside the spray dryer even narrower drop-size-distributions are observed, compared to the PSD of the spray dried product. This can be explained by the aerodynamic interaction the liquid threads are undergoing inside the dryer. The mode of the gas/liquid-interaction is analyzed and it is shown that the spiraling threads are subject to a gas cross flow perpendicular to their axes. Even though the gas/liquid-interaction is too weak to break-up the threads immediately, it leads to visible deformations of the threads and thereby induces a perturbation of the breakup process. The aim of the present work is to quantitatively characterize the impact of this gas cross flow on the thread break-up. Furthermore an optimization-strategy is developed, allowing for lowest aerodynamic perturbation of the threads possible. Two types of drying gas distributors are presented, providing the desired gas flow conditions. Both types of gas distributors have specific advantages, as they differ from each other in terms of geometric complexity, but also in terms of performance. The methods used for the investigation of thread break-up under gas cross flow and for the development of the optimized drying gas distributor combine dimensional analysis and computational fluid dynamics (CFD). Similarity trials on the break-up of liquid threads in the field of gravity suggest to realize the lowest gas relative velocity of the threads possible, in order to achieve a low PSD width in spray drying. Besides the CFD-based development of the drying gas distributor, the results of the present work demonstrate the validity of the similarity trials in the field of gravity. The results achieved represent a new experimental data base on thread break-up at gascrossflow
Subject Headings: LAMROT
Produktqualität
Rotationszerstäubung
Sprühtrocknung
Zerstäubungstechnik
URI: http://hdl.handle.net/2003/29577
http://dx.doi.org/10.17877/DE290R-7003
Issue Date: 2012-04-11
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