Methoden zur diskontinuierlichen und kontinuierlichen hydrodynamischen Klassierung feinster Partikeln in einer Querströmung

Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei experimentelle Methoden zur hydrodynamischen Klassierung von Partikelsuspensionen untersucht und beschrieben. Sie werden aufgrund ihrer Prozessführung und Trenngeometrie in einen diskontinuierlichen und einen kontinuierlichen Prozess eingeteilt.
Bei der Klassierung im Querstrom mit mikroporösen Membranen werden in einem zweistufigen diskontinuierlichen Verfahren Feinstpartikeln in hochkonzentrierten Suspensionen gewonnen. Aufgrund größenabhängiger hydrodynamischer Kräfte werden die Partikeln in der laminaren Grenzschicht einer turbulenten Strömung klassiert. Die orthogonal zur Hauptströmung wirkende Filtratströmung durch die Membranen führt zu einer Ablagerung der in Wandnähe befindlichen Partikeln. Nach der Ablagerung auf der Membran wird im zweiten Schritt die aus Feingut bestehende Deckschicht durch einen Rückspülimpuls ausgetragen. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Materialien werden Fraktionen im einstelligen Mikrometerbereich erhalten. Durch die Variation von Überström- und Filtratgeschwindigkeiten, Konzentration der Vorlagesuspension, Beladungsdauer und Geometrie der Membranmodule werden experimentell die Einflüsse auf die Trennung und die Grenzen des gezeigten Verfahrens ermittelt. Die maximale Partikelgröße im Feingut wird mittels mikroskopischer Modelle beschrieben. So können prädiktiv die notwendigen Betriebsbedingungen ausgewählt werden. Weiterhin wird ein Scale-Up in den Technikumsmaßstab aufgrund experimenteller Daten im Labormaßstab diskutiert. Die Veränderungen der Strömungsbedingungen aufgrund von geänderter Modulgeometrie, Membranlänge und -fläche werden herausgearbeitet. Mithilfe von CFD-Studien wird die Strömung in unterschiedlichen Membranmodulen untersucht und eine Optimierung der Strömungsführung und Membrangeometrie vorgeschlagen.
Im zweiten Teil der experimentellen Untersuchungen wird eine Methode zur kontinuierlichen Fraktionierung vorgestellt. Im Gegensatz zur turbulenten Rohrströmung, richten sich die Partikeln in einer volllaminaren Kanalströmung aus. Die hydrodynamischen Kräfte in der Scherströmung ordnen die Partikeln größenabhängig über den Strömungsquerschnitt an. Mit einem Teilabzug des Fluids in Wandnähe können die enthaltenen Partikeln abgeführt werden. Mittels CFD-Methoden wird eine Trenngeometrie entwickelt. Diese Geometrie wird experimentell auf ihre Klassierwirkung untersucht und kann unter einer Variation der Wandabsaugung eine Klassierung von Partikeln < 20 µm erreichen.