Eine entscheidende Komponente bei der Entwicklung von DEM/CFD-Rechenwerkzeugen zur Beschreibung des thermochemischen Verhaltens von Schüttgütern sind die Einzelpartikelmodelle für DEM. Nur mit genauen Einzelpartikelmodellen lassen sich Partikelumwandlungen und/oder Partikelproduktqualitäten am Ausgang industrieller Reaktoren zuverlässig vorhersagen. Die Komplexität der Beschreibung liegt in der Tatsache begründet, dass auf der Partikelebene Chemie und Transport auf ähnlichen Zeitskalen miteinander konkurrieren.

Das Projekt B4 treibt die Weiterentwicklung der Modellierung reaktiver Prozesse auf Partikelebene voran, wobei der Schwerpunkt auf der Pyrolyse von Biomasse und der Umwandlung von Holzkohle als reaktive Modellsysteme im 2. Die Biomasseumwandlung wurde ausgewählt, da sie als hochkomplexes Modellsystem für DEM-Einzelpartikelmodelle dienen kann, die heterogene Reaktionen, Veränderungen der Partikelform und Porenstruktur sowie anisotrope Intrapartikeltransporteigenschaften umfassen. Als methodischer Ansatz zur Entwicklung anspruchsvoller Einzelpartikelmodelle wird ein neuartiger, einzigartiger simulativ-experimenteller Rahmen abgeleitet. Dieser Rahmen stützt sich auf drei Säulen: die Entwicklung adaptiver Porennetzwerkmodelle (PNM), die Parametrisierung von Kontinuumsmodellen (CM) auf der Grundlage effektiver Transport-, chemischer und morphologischer Eigenschaften, die aus den hochaufgelösten PNM-Simulationen abgeleitet werden, und die Bereitstellung von Messdaten, die die Überbrückung von Skalen von PNM zu CM erleichtern.
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Die Bildung und Entwicklung von Poren in porösen Systemen während des Trocknungsprozesses wird auf mehrere nebeneinander liegende und konkurrierende Mechanismen zurückgeführt. In diesem Projekt sollen Berechnungsmodelle entwickelt werden, die diese Mechanismen erfassen und zur zuverlässigen Beschreibung einer Vielzahl von Formulierungen und Trocknern verwendet werden können, wobei die endgültige Porenstruktur mit den Formulierungseigenschaften und Prozessvariablen in Beziehung gesetzt wird.
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A key pillar of the project is to work out an overarching methodology that jointly leverages pore network models and supervised machine learning techniques. A methodology as such will aid simulations of drying in thick porous media, but also thermo-chemical processes (such as pyrolysis) in thermally-thick particles.

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Die Trocknungskinetik poröser Materialien wird von den Flüssigkeits-Gas-Grenzflächen (Menisken) beeinflusst, die sich im Laufe der Trocknung bilden und verschieben. In diesem Projekt wird versucht, die Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche in Kontinuumsmodelle der Trocknung einzubeziehen, indem der Stand der Technik der Porennetzwerkmodellierung, Porennetzwerksimulationen und neue Experimente kombiniert werden.
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Pulver, die durch Sprühtrocknung hergestellt werden, erfordern häufig einen zusätzlichen Vergrößerungsschritt, der hauptsächlich entweder außerhalb des Trockenturms oder durch Rückführung trockener untermaßiger Partikel in den Trockenturm erfolgt. In diesem Projekt werden die Kenntnisse über die Vergrößerung von Pulvern bei der Sprühtrocknung mit Rückführung von Feingut erweitert, wobei sowohl die Prozess- als auch die Produktqualität im Vordergrund stehen. Ein effizientes Vorhersagewerkzeug im Rahmen der numerischen Strömungsmechanik (CFD) wird erstellt und anhand von räumlich und zeitlich aufgelösten Experimenten in einer Pilotanlage bewertet.
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Ein Einzelpartikelmodell mit hoher Genauigkeit ist von zentraler Bedeutung für DEM/CFD-Simulationen eines Bettes, das mit einer Population von thermisch dicken Feststoffpartikeln gefüllt ist und einem thermischen Prozess (z. B. Trocknung) oder einem thermochemischen Prozess (z. B. Kalzinierung, Pyrolyse oder Verbrennung) ausgesetzt ist. Ein solches Modell muss im Wesentlichen den Wärme- und Stofftransport innerhalb eines einzelnen porösen Teilchens, morphologische Veränderungen seiner Porenstruktur, chemische Reaktionen und die Verbindung zur flüssig-festen Umgebung des Teilchens berücksichtigen. Das Projekt B4 zielt darauf ab, einen großen Durchbruch bei der Modellierung und Simulation dieser Phänomene auf der Ebene eines einzelnen Teilchens und unter realistischen Prozessbedingungen zu erzielen. Dieses Projekt wird sich auf die mikroskopische diskrete und makroskopische Kontinuumsmodellierung sowie auf die experimentelle Charakterisierung der Trocknungs- und Kalzinierungsprozesse konzentrieren. Diskrete Modelle werden auf der Grundlage erster Prinzipien entwickelt. Da sich die Porengröße im Laufe der Zeit aufgrund von thermischen Belastungen (Schrumpfung während der Trocknung) oder chemischen Reaktionen (Verbrauch der festen Phase) ändert, muss die Porenstruktur im Laufe der Zeit verfolgt und entsprechend aktualisiert werden. Die vollständige Berücksichtigung struktureller Veränderungen ist einer der wichtigsten Fortschritte, die mit Hilfe adaptiver diskreter Porennetzmodelle - einer neuen Familie diskreter Modelle - erzielt werden sollen. Es werden Modellerweiterungen vorgenommen, um interne Temperaturgradienten und unstrukturierte Netzwerke mit physikalisch realistischen Porenstrukturen zu berücksichtigen. Die innere Porenstruktur und die volumetrische Veränderung eines Partikels werden durch Techniken wie die µ-CT-Bildgebung charakterisiert. Phänomene auf der Porenskala sind für diskrete Modelle direkt zugänglich. Diese Tatsache wird genutzt, um die klassischen Kontinuumsmodelle von zu überarbeiten, indem Inputs von repräsentativen diskreten Porennetzwerksimulationen genommen und effektive Parameter in ein makroskaliges Kontinuumsmodell eingespeist werden. Um das Kontinuumsmodell mit Vorhersagefähigkeiten auszustatten, werden hochwertige und verlässliche gravimetrische Messungen für einzelne Partikel in Thermowaagenreaktoren unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Auf dieser Grundlage werden die klassischen Kontinuumsmodelle verbessert und nach ihrer Modellordnungsreduktion in die DEM/CFD-Bibliotheken implementiert.
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This project aims to develop advanced models to predict the drying characteristics of single slurry droplets in the presence of soluble gases at low temperature and atmospheric pressure. The models will account for internal and external heat and mass transfer as well as species transport, both in the gas phase and inside the droplet and porous particle. To assess the model predictions, several sets of single slurry droplet experiments under various well-controlled process conditions will be carried out.

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Liquid films in pore corners play an important role in the transport processes in porous media during drying. Two types of corner films can be identified: A continuous corner film is connected to a pore occupied by liquid, while a discontinuous one does not contact with any liquid-saturated pores. The continuous and discontinuous corner films can mutually shift their state during drying of porous media. This project aims to understand in detail the transition between continuous and discontinuous corner films by experimental and numerical studies.

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Continuous models for the wetting of porous materials are usually oversimplified and, thus, cannot properly describe the influence of micro-structural features of the material. Goal of the project is to simulate the wetting of micro-structured porous materials in a discrete way (by pore networks) and then use the simulation results in new and superior continuous models which are easy to solve whereas preserving as more details of the structure-property relation as possible.

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Discrete network models provide an efficient pore-scale approach to explore the role of individual transport phenomena in deformable particle aggregates made from particles with a multimodal size distribution. During drying, mass transfer (liquid flow and vapor diffusion) is obtained from pore-scale finite volume (PFV) model, whereas the mechanical response (cracks and shrinkage) of the solid to compressive capillary forces is computed by discrete element method (DEM). The DEM-PFV coupled model permits to study the influence of physical properties of liquid, mechanical properties of solid, and rate of drying on the degree of mechanical response.

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Durch Verdampfung an einer heißen Stelle und Kondensation an einer kalten Stelle kann Wärme mit einer höheren effektiven Wärmeleitfähigkeit transportiert werden als mit jedem anderen vorhandenen Material. Dieses Prinzip wird in so genannten Wärmerohren genutzt. Hier wird eine spezielle Art von Heatpipe-Verdampfer betrachtet, bei dem die Verdampfung aus einem nassen porösen Docht in Kontakt mit einer heißen Rippe in Dampftransportrillen erfolgt. Porennetzwerkmodelle werden für die Simulation von Transportphänomenen und der Flüssigkeitsverteilung im Docht verwendet, um optimale Betriebsbedingungen und Dochtstrukturen zu ermitteln. Neuartige Porennetzwerkmodelle werden für die Trocknung mit überhitztem Dampf entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen kontinuierlichen Ansätzen können solche Modelle den Einfluss der Mikrostruktur des Produkts auf den Trocknungsprozess erfassen. Das Ziel ist eine effiziente Verarbeitung, die an die Produkteigenschaften und -qualität angepasst ist.
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Die Struktur von Agglomeraten, die in Sprühwirbelschichten aus starren Primärpartikeln hergestellt werden, wurde in einem Vorläuferprojekt untersucht. Es wurde gezeigt, wie morphologische Deskriptoren (u.a. Porosität, fraktale Eigenschaften) aus Röntgen-Mikrotomographie-Scans extrahiert werden können und wie solche Deskriptoren von den Betriebsparametern des Partikelformulierungsprozesses abhängen. Diese Untersuchung wird nun auf weiche Primärpartikel ausgeweitet, die für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie von großem Interesse sind. Insbesondere werden die strukturellen Merkmale von Maltodextrin-Agglomeraten untersucht, einschließlich der Entwicklung neuer Bildanalysemethoden, die auf Primärpartikel mit unregelmäßiger Form und ungleichmäßiger Größe angewendet werden können.
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Die gleichzeitige Benetzung poröser Partikel mit Tröpfchen einer aufgesprühten Salzlösung und die Trocknung führt zur Ablagerung des Salzes (verfestigter gelöster Stoff) im porösen Material mit verschiedenen technischen Anwendungen. Die Verteilung des Salzes hängt unter anderem von den Trocknungsbedingungen und der inneren Struktur des porösen Substrats ab. Solche Einflüsse auf den kombinierten Prozess von Benetzung und Trocknung werden mit Hilfe von Porennetzwerkmodellen untersucht. Validierungsexperimente werden in mikrofluidischen Geräten durchgeführt.
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Pore network models are unique in connecting structural features of porous media with their macroscopic properties in order to, e.g., find out how long a wet material would take to dry. On the other hand, pore network models require a much longer computation time than numerical solution of differential equations for description of transport phenomena at the macro-scale. Therefore, methods are developed for extracting effective transport coefficients from the results of pore network simulations. When successful, this approach can provide both, description of the influence of material structure and computational speed.

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Satisfactory incorporation of functional oils into processed foods is not straightforward because of their susceptibility to autoxidation and low solubility. Microencapsulation technology could solve these problems and spray drying is one of the most promising methods for encapsulating functional oils. Enhancing the encapsulation efficiency and reducing the lipid oxidation are the most important challenges of spray drying for microencapsulation. Understanding the drying behavior of single liquid droplets is of utmost importance for the prediction of physicochemical properties or functionality of the final microparticles. The drying behavior of droplets and particles containing functional oils is studied through both simulations and experiments. The insights gained from this study can be used to track the encapsulation efficiency and the lipid oxidation during the drying of droplets and particles containing functional ingredients.

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Das Wassermanagement in der Gasdiffusionsschicht einer PEM-Brennstoffzelle ist von wesentlicher Bedeutung für die Leistung und Zuverlässigkeit. Da die poröse Schicht sehr dünn ist, ist die Verwendung diskreter Ansätze für eine genaue Simulation erforderlich. Zu diesem Zweck werden Porennetzwerkmodelle entwickelt und angewandt, wobei der Schwerpunkt auf der Trocknung mit Hilfe eines Gasspülstroms liegt.
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Mikroalgen sind ein sich entwickelnder Rohstoff für verschiedene Anwendungen, einschließlich der Extraktion von Lebensmittelbestandteilen. In diesem Rahmen wird der Einfluss der Trocknung auf den Gesamtlipidgehalt und die Lipidzusammensetzung untersucht. Ziel ist es, Prozessbedingungen zu identifizieren, die zu einer hohen Ausbeute an ernährungsphysiologisch wertvollen (Omega-) Lipiden führen.
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Um die günstige Konvektionstrocknung zur Herstellung hochporöser Gele zu erschließen, wird der Einfluss von Gelstruktur, Stoffparametern sowie Trocknungsbedingungen auf die mechanische Beanspruchung und Schädigung dieser fragilen Partikelaggregate untersucht. Hierzu wird zum einen eine Kombination von Volume-of-fluid-Methode (für die Flüssigkeitsverteilung) und Diskrete-Elemente-Methode (für die Wirkung der Kapillarkräfte) eingesetzt, zum anderen werden Trocknungsexperimente im Röntgen-Mikrotomographen durchgeführt.

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Um die günstige Konvektionstrocknung zur Herstellung hochporöser Gele zu erschließen, wird der Einfluss von Gelstruktur, Stoffparametern sowie Trocknungsbedingungen auf die mechanische Beanspruchung und Schädigung dieser fragilen Partikelaggregate untersucht. Hierzu wird zum einen eine Kombination von Volume-of-fluid-Methode (für die Flüssigkeitsverteilung) und Diskrete-Elemente-Methode (für die Wirkung der Kapillarkräfte) eingesetzt, zum anderen werden Trocknungsexperimente im Röntgen-Mikrotomographen durchgeführt.

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Während der Trocknung poröser Materialien können durch Feuchte- und Temperaturgradienten erhebliche Kräfte auftreten, welche zu einer unerwünschten Strukturveränderung führen. Das poröse Material wird als ein Partikelagglomerat modelliert; zur Berechnung der Flüssigkeitsverteilung in den Poren wird das komplementäre Porennetzwerk herangezogen; die mechanischen Effekte zwischen den Primärpartikeln werden mit Hilfe der Diskrete-Elemente-Methode beschrieben. Ziel des zunächst isothermen Ansatzes ist es, günstige Trocknungsbedingungen und Struktureigenschaften zu identifizieren, für welche Materialschädigungen vermieden werden.

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