2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15891Obwohl die Wirbelschichtsprühgranulation seit mehr als 60 Jahren industriell eingesetzt wird, ist es immer noch eine Herausforderung, die Partikelgrößenverteilung des Produktes zu regeln. Das Ziel unseres Projektes ist die Entwicklung eines echtzeitfähigen Überwachungs- und Vorhersagesystems, das es ermöglicht, die Produktgrößenverteilung während der kontinuierlichen, mehrstufigen Wirbelschichtsprühgranulation zu steuern. Dies wird durch drei wesentliche Forschungsschwerpunkte erreicht: eine neuartige Umschalttopologie während des Betriebs der Wirbelschicht, Echtzeitsimulationen, die eine online Prozessregelung erlauben sowie ein online System zur Messung der Partikelgrößenverteilung. Wesentlicher Bestandteil der experimentellen Untersuchungen ist eine zweistufige Laborwirbelschichtanlage mit integriertem Unterlaufwehr. Wir werden Segregationseffekte nutzen, um gezielt zu beeinflussen, welche Partikel die Sprühzone erreichen und damit in ihrer Partikelgröße wachsen. Durch das Umschalten zwischen homogener und heterogener Begasung wird das Partikelzirkulationsmuster in der Anlage verändert. Während der homogenen Begasung passieren nur grobe Partikel das Wehr und gelangen zur nächsten Stufe, während die kleineren Partikel in der oben gelegenen Sprühzone verharren. Durch eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit in der Mitte des Verteilerbodens (heterogene Begasung) wird das Strömungsmuster in der Wirbelschicht verändert und die Partikelgrößenverteilung homogenisiert. Kleine und große Partikel wachsen gleichermaßen an. Als neues Messkonzept wird die Größenverteilung der Partikel, die das Unterlaufwehr passieren, gemessen. Hierfür wird das Unterlaufwehr mit einem Spiegel ausgestattet. Durch Kameraaufnahmen und digitale Bildauswertung werden direkt die Partikelgrößenverteilungen der passierenden Partikel bestimmt. Die Regelung der Wirbelschichtsprühgranulation erfolgt über Echtzeitsimulationen der Wirbelschichtdynamik mit dem recurrence CFD-Ansatz (rCFD). rCFD verwendet „recurrence plots“ basierend auf CFD-DEM Simulationssequenzen als Datenbank, um die Dynamik zu extrapolieren. Der Ansatz beruht auf der Annahme, dass ähnliche Zustände auch ähnliche zeitliche Entwicklungen aufweisen. Mit dieser Methode können Prozesse schneller als in Echtzeit simuliert werden. In diesem Projekt wird dieses neuartige Konzept für polydisperse Systeme erweitert. Dafür müssen lokale Partikelgrößenverteilungen gemessen und definiert erzeugt werden. Das Regelungskonzept wird mit dem rCFD-Löser integriert, um den inneren Systemzustand über die Wahl der Zustandsdatenbank zu synchronisieren. Dies umfasst die Kommunikation der Ablufttemperatur und -feuchte sowie die Partikelgrößenverteilung und ein Interface zur Ansteuerung für den Begasungsschaltmechanismus. Damit werden die Vorhersagen des rCFD-Lösers zugänglich zum Treffen von Regelungsentscheidungen, wie des Begasungsmodus zur Beeinflussung des Zirkulationsmusters, um die gewünschte Produktpartikelgrößenverteilung zu gewinnen.Even though the fluidized bed spray granulation has been applied for more than 60 years, it is still a challenge to control the product particle size. The aim of our project is the development of a real-time monitoring and prediction framework, which enables the control of the product particle size distribution in continuous multi-compartment fluidized bed granulation processes. This objective will be achieved by three innovative pillars: novel switching-topology for fluidized bed operation, real-time simulations allowing for online process control and on online particle size measurement setup. Central part of the experimental investigations will be a two-stage lab-scale fluidized bed equipped with an underflow weir. We propose to use the phenomenon of segregation to influence which particles enter the spray zone and thus increase in particle size. By switching from homogeneous aeration to heterogeneous aeration, the topology of the particle circulation pattern will be changed. In homogeneous aeration mode, only larger particles are handed over to the consecutive stage by an underflow weir while smaller particles remain in the top-spray zone. The injection of a higher velocity gas stream (heterogeneous aeration) will cause circulation within the fluidized bed and thus homogenize the particle size distribution. Large particles will grow further just the same as smaller particles. As a novel measurement concept, we intend to assess the particle-size-distribution while particles pass the underflow gate between individual stages. To this end, the underflow weir gate is equipped with a mirror and an imaging system. By taking periodic snap-shots we will receive images of a set of particles on their flight through the gate. Online digital image analysis will provide instantaneous PSDs. The control of the spray granulation process will be performed by real-time simulations of fluidized bed dynamics by the recurrence CFD (rCFD) approach. rCFD uses recurrence plots of short-time CFD-DEM simulations (recurrence database) to time-extrapolate the fast dynamics based on the assumption that similar states will have a similar near-time evolution. Using this method, the internal state of the system can be simulated faster than real-time, which is not possible with pure CFD-DEM simulations. In this project, this radically new methodology will be further developed for poly-disperse systems. For this purpose we have to track and modify local particle size distributions. The fluidized bed control system will be integrated with the rCFD solver to synchronize the system state with choice of the database. This includes communication of outlet air temperature and humidity, as well as particle size distribution determined from the gate measurement setup and an interface for the control of the switching mechanism. Thus, the predictions from the rCFD solver will be used to choose the correct flow topology to yield the desired product particle size distribution.