Simulation der Filtrations- und Konsolidierungsdynamik ultrafeiner Partikelsysteme mittels Kombination von Partikelmechanik, Diskrete-Elemente-Methode und Fluiddynamik

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Das Aufkommen an sehr feinen Partikelsystemen in der wässrigen Phase hat in den letzten Jahren ständig zugenommen und wird in Zukunft noch erheblich wachsen. Kostengünstig können diese Partikelsysteme durch Druckfiltration entwässert werden. Durch Nachpressen kann zusätzliches Porenwasser aus der bereits entstandenen und vorverdichteten Partikelpackung verdrängt werden. Die beiden unterscheidbaren Teilprozesse Filterkuchenwachstum und Kuchenkonsolidierung werden durch Fließvorgänge der Partikel und des Fluids unterstützt oder ggf. behindert, wobei die interpartikulären Wechselwirkungen und Kontaktkräfte zunehmend prozessbestimmend werden.Sowohl in der Filtrationstechnik, als auch in der Schüttguttechnik sind die kontinuumsmechanischen Modelle und die entsprechenden Messmethoden erfolgreich bei der Beschreibung der Entwässerungsdynamik von ultrafeinen Suspensionen und des Fließverhaltens von kohäsiven Filterkuchen, angewandt worden. Sie sind insbesondere für die praktische Auslegung verfahrenstechnischer Apparate, wie z.B. Pressfiltern oder Förderer geeignet. Jedoch fehlte bisher das physikalische Verständnis der komplexen interpartikulären Wechselwirkungen während des Aufbaus der Partikelpackung und bei deren irreversiblen Kompression. Davon ausgehend ist durch die Vorarbeiten mit der Diskrete-Elemente-Methode eine neue Simulationsmethode verfügbar, mit der Kontakt- und Haftkräfte bei der Kompression sowie beim Fließen stark verdichteter, flüssigkeitsgesättigter Partikelpackungen detailliert berücksichtigt werden. Eine spannende Aufgabe stellt deshalb die Einfuhrung einer irreversiblen, inelastischen Kontaktabplattung als wesentlicher Bestandteil und physikalische Ursache einer Haftkraftverstärkung beim Filterkuchenaufbau und bei der Kuchenkompression dar. Davon ausgehend wird die Durchströmung beim Aufbau und bei der Kompression der porösen ultrafeinen Partikelschichten auf „mikroskopischer Ebene simuliert.Die Herausforderung besteht folglich darin, die messbaren mechanischen Eigenschaften von stark komprimierten, kompressiblen, drainierten, kohäsiven Filterkuchen mit Hilfe der Kombination von Partikelmechanik, Diskrete-Elemente-Methode und Fluiddynamik zu simulieren und experimentell zu bewerten. In Magdeburg steht dafür eine Pressscherzelle zur Verfügung. Die Apparatur wurde speziell für Filiations- und Scherexperimente gebaut. Als praktisch nutzbares Ergebnis des Projektes werden deutlich verbesserte physikalische Grundlagen der Prozess- und Apparateauslegung der Pressfiltration erwartet.