Fluiddispergierung in porösen Strukturen

Membran-Emulgierverfahren werden in der Verfahrens- und Prozesstechnik eingesetzt, um Produktemulsionen mit engverteilten Tropfengrößenverteilungen zu erzeugen. Bei der Verwendung von Premix-Emulsionen als disperser Phase zeigt die innere Membranstruktur einen signifikanten Einfluss auf das Emulgierergebnis, wie die mittlere Tropfengröße und die Tropfengrößenverteilung. Diese Arbeit zielt auf ein Verständnis der Mechanismen der Tropfendispergierung innerhalb poröser Medien ab, indem anhand von definierten Membranstrukturen verschiedener Porengröße und Porenform sowie Porosität und Tortuosität unter variierenden Prozessparametern die Herstellung von Emulsionen analysiert wird. Ein empirischer Fluiddispersionskoeffizient wird abgeleitet, der die Produkteigenschaften einer Emulsion mit den Struktureigenschaften der Membranen korreliert, um so die wesentlichen Einflussgrößen der Membranstruktur auf die Tropfendispergierung aufzuzeigen. Zur Validierung des Struktureinflusses der Premix-Prozessvariante werden mittels der Schmelzemulgierung im direkten Membran-Emulgierverfahren Feststoffpartikel hergestellt. Das Schmelzemulgierverfahren ermöglicht durch die schnelle Stabilisierung der Phasengrenzfläche eine Verringerung von Koaleszenzvorgängen am Membranaustritt. Hier werden die Struktureigenschaften und Prozessparameter der Emulgierung im Hinblick auf die Größe und Größenverteilung sowie die Sphärizität der Partikel untersucht. Durch ein- und mehrphasige Strömungssimulationen (CFD) werden die inneren Porenströmungen sowie die Tropfendispergiervorgänge im Detail untersucht. Hierfür werden Geometriemodelle poröser Membranen aus der Mikro-Computertomographie (µ-CT) sowie statistisch erzeugte Packungsstrukturen mit experimentellen Partikelgrößen betrachtet.