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OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURGLehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Prof. Dr. Jürgen Tomas
Mikro - MakroprozesseMikro - Makroprozesse
Modellierung der Scherdynamik kohäsiver Partikelsysteme
Schwingungseinfluß auf die Fließkenn-werte kohäsiver, hochdisperser Partikeln
Mathematische Modellierung der Pressagglomeration auf der Basis der Schüttguteigenschaften
Simulation der Bruchdynamik verfes-tigter Partikelpackungen
Recycling of EAF dust by an innova-tive leach-grinding process
Kryogene Aufschlußzerkleinerung von nachwachsenden biologischen Roh-stoffen zur Gewinnung von Wert-stoffenFließverhalten flüssigkeitsgesättigter,
stark verdichteter hochdisperserPartikelsysteme
Rostyslav Tykhoniuk
Aimo Haack
Lilla Grossmann
Sergej Antonjuk
Theodor Mladenchev
Sergej AmanChristoph Mendel
Wolfgang SchubertManoj Khanal
Werner HintzBernd Ebenau
Verknüpfung von Apparate- und Anlagentechnik mit modernen Stoffwissenschaften (Physik, Biologie, Chemie) + mathematische Methoden der Mechanik und Systemtechnik
Verknüpfung von Apparate- und Anlagentechnik mit modernen Stoffwissenschaften (Physik, Biologie, Chemie) + mathematische Methoden der Mechanik und Systemtechnik
PartikeltechnologiePartikeltechnologie Verfahrenstechnik komplexer Stoffkreisläufe
Verfahrenstechnik komplexer Stoffkreisläufe
NanopartikeltechnikNanopartikeltechnik
Herstellung von Nanopartikeln durch Kristallisation und Fällung
Charakterisierung von Nanopartikelsystemen
Herstellung von hochdispersenPartikeln durch intensive Feinstmahlung
Partikel- und Pulvermechanik –Molekularmechanik, Nanokontakt-mechanik, Partikeldynamik und Kontinuumsmechanik
Werner HintzTsvetan NikolovThomas Günther
Sergej Aman
Bernd EbenauWerner Hintz
Jürgen Tomas
Bild 1
Modellierung und DEM-Simulation des Bruchverhaltens eines grobdisper-sen Partikelverbundstoffes
Mitarbeiter des
Lehrstuhls für Mechanische Verfahrenstechnik
Nicolle DegenSekretariat
Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen TomasLehrstuhlleiter
Dipl.-Ing. Bernd EbenauLaboringenieur
Dipl.-Ing. Peter MüllerChefkonstrukteur
Dr. rer. nat.Werner HintzWiss. Mitarbeiter
Dipl.-Ing.Tsvetan NikolovDAAD-Stipendiat
Dr. rer. nat.Sergej AmanWiss. Mitarbeiter
Dipl.-Ing. Thomas GüntherWiss. Mitarbeiter
NanopartikeltechnikNanopartikeltechnik
Bild 2
Dipl.-Math.Rostyslav TykhoniukWiss. Mitarbeiter
Dipl.-Ing.Aimo HaackWiss. Mitarbeiter
Dipl.-Ing.Lilla GrossmannGrad. Stipendiatin
Dipl.-Ing.Sergej AntonjukGrad. Stipendiat
Dr.-Ing.Wolfgang SchubertWiss. Mitarbeiter
MEng.Manoj KhanalWiss. Mitarbeiter
Dipl.-Wirtsch.-Ing.Christoph MendelWiss. Mitarbeiter
Dipl.-Ing.Theodor MladenchevGrad. Stipendiat
Mikro -MakroprozesseMikro -Makroprozesse Verfahrenstechnik komplexer StoffkreisläufeVerfahrenstechnik komplexer Stoffkreisläufe
OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURGFakultät für Verfahrens- und Systemtechnik
Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Blockfließbild eines StoffwandlungsverfahrensBilanzgrenze
RohstoffeE I E I E I E I E I
I E I E I E I I
E I E I
H E I
E H I
Speicher (R)
Speicher (H)
Rohstoff-aufbereitung
Stoffum-wandlung
Stoff-trennung
Hilfsstoff-versorgung
Hilfsstoff-aufbereitung
Speicher (Ab)
Recyclingverfahren(Wiederverwertung)
Rohstoffe (R)
Hilfsstoffe (H)
Infor-mationen (I)
Energie (E)
Produkt A
Produkt B
Abfall
Haupt-produkt
Neben-produktAbfall
Infor-mationen
Energie
Speicher (A)Speicher (B)Speicher (Ab)
E I I
E I E I
Bild 3
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Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Lagerung in Behältern – Mechanisches Verhalten von:a) Stückgut b) Flüssigkeit c) Gas d) Schüttgut
mit Vorgeschichte
Bild 4
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Lösung praktischer Probleme: Verhärtung von Produkten
Verhärtetes KCl 99 im Lagerschuppen
Lösungsmethode:• Bestimmung der Verhärtungsdynamik,• Messung der Scherfestigkeiten im Labor,• Übertragung der Laborergebnisse auf die
Auslegung von Transport– und Lager-prozessen von Feststoffprodukten
Physikalisch-chemische Ursache:Kristallisationsbrücken zwischen den KCl 99
Partikeln, d = 100 – 600 µm
Riesige Klumpen auf dem Förderband
Bild 5
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Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Eine kurze Einführung (1)
Hauptaufgaben sind die Sicherstellung der Lehre und die planmäßige Durchführung von Forschungsvorhaben
des weiteren die Bearbeitung von Aufträgen aus der Industrie
studentisches Praktikum
Grundlagenforschung am Ringschergerät
Schiffsentladestation der ortsansässigen Firma FAM – Magdeburger Förderanlagen und Baumaschinen GmbH
Bild 6
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Eine kurze Einführung (2)
ständige Anpassung vorhandener Anlagen und Geräte an veränderte Aufgaben
Translationsschergerät nach Jenike zur Unter-suchung der Fließeigen-schaften von Pulvern
Erstellung moderner Versuchseinrich-tungen für die Schüttguttechnik
Neukonzeption einer am Lehrstuhl entwickelten Preßscherzelle
Bild 7
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Filtration und Fließverhalten hochdisperser Partikelsysteme
Preßscherzelle
AnwendungsbeispielBestimmung der Filtrationsdynamik undBerechnung vonTransport-und Lagerprozessenvon Filterkuchen
Packungsdichten und Fließorte für flüssigkeitsgesättigten Kalksteinpackungen
Dispersionszustände
<
p p
pp
p p
Suspension
Paste
Filterkuchen
Entwässerung durch D
ruckfiltration
-10 0 0 10 0 2 00 300 4 00 500 60 0 70 0 8 00 9 00 10 00 1 10 00 ,0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
0 ,5
d e s till. W a sse r L e itu n g sw a sse r 1 M N a C l-L ö su n g
β
εε
+⋅=
a
sss p
p10,
Packungsdichte εs
Partikeldruck ps in kPa
-100 0-200
100
100 200
200
300
300 400
400
500
500
600
600 700 800 900 1000
Fließort 1
Fließort 2
Fließort 3
Fließort 4
Fließort 5
1.SFO
Normalspannung σ in kPa
Scherspannung τ in kPa
Fo1 Fo2 Fo3 Fo4 Fo5
Anpassungsfunktion:
Bild 8
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Modellhierarchie des Fließens einer Partikelpackung:
+ Abstoßung
Atomkernabstand aaFmax
F
Pote
ntia
l U F = - dU
da
- Anziehung
a0dA
U
Fmax
UB
Kra
ft
F
U
0
e-
σy
σy + ∆σy
σx
τyx + ∆τyx
τyx
τxy
x
y
σx + ∆σx
τxy + ∆τxy ∆ x
∆ y
ε x.∆ x
z
γyx
ε y.∆ y
γxy
vx
vyvS,x
vS,y
x*
y*
z*
elastisches Kraft-Verformungs-Gesetzviskose DämpfungReibungsgesetz
Partikel i
vi
Partikel j
vj
Kontaktmodelle:
σy
σy + dσy
σx
σx + dσx
τyx + dτyx
τxy + dτxy
τyx
τxy
10 000 Partikel
x
y
1 . K o n t i n u u m s m o d e l l , ∆ V = ∆ x .∆ y .∆ z
2 . P a r t i k e l w e c h s e lw i r k u n g s m o d e l l , d A = d x .d y
3 . M o l e k ü l - W e c h s e lw i r k u n g s m o d e ll
Paar-Wechselwirkungspotential
Werkzeuge:+ Masse-,+ Kräfte-,+ Momenten-,+ Impuls-,+ Energiebilanzenfür FreiheitsgradederTranslation u. Rotation
Grundlegende Stoffeigenschaften:- Wechselwirkungsenergien,- Potentialkräfte,- Elastizität,- Bindungsfestigkeit,- Geschwindigkeitsabhängigkeit,- Elektromagnetische, thermische und mechanische Wellen- ausbreitungseigenschaften,- Phasenumwandlungsenthalpienetc.
Bild 9
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DEM-Simulation der Scherdynamik kohäsiver Pulver
ExperimentProbleme bei der Bunkerentleerung
SZdhdsarctan=γSimulation
Schema derJenike-Scherzelle
Simulation eines Scherzonenelementes
Brückenbildung
KernflußSimulationsergebnisse
Anwendungsbeispielechemische, pharmazeutische Industrie oder Werkstofftechnik
Bild 10
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Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Das Fließen oder auch Nichtfließen kohäsiver Pulver
Probleme:Auswirkung:
Materialfluss stoppt Und nun???
Schacht-, bzw. Brücken-bildung in einem Silo
Bessere Silogeometrie
Fließeigenschaftendes Pulvers messen
SchwingendeTranslationsscherzelle
für ungestörtenPulverfluss
Bild 11
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Methoden zur Partikelcharakterisierung
Ziele der PartikelmessungZiele der Partikelmessung Partikeleigenschaften und MessmethodenPartikeleigenschaften und Messmethoden
DichteHelium PyknometriePulver Pyknometrie
PartikelgrößeSiebenLaserbeugungPhotonenkorrelations-SpektroskopieUltraschall-SpektroskopieBild-Analyse
OberflächenladungZeta PotentialStrömungspotential
OberflächeGasadsorption
PorenvolumenGasadsorptionQuecksilber Porosimetrie
Produkteigenschaften:Summe der EigenschaftenZustand der Dispersität
MessmethodeAntwort der
Eigenschaftsfunktion
Beispiel:
atomare und molekulare Kräfte auf der Partikelober-fläche
Adsorption von
Gasen
Bild 12
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Adsorption – eine Methode zur Charakterisierung von Partikeln
Physikalisches PrinzipDie Adsorption wird verursacht durch molekulare Wechselwirkungen (Van-der-Waals Kräfte) beim Zusammentreffen einer sauberen festen Oberfläche mit Dampf (ein Gas unterhalb seiner kritischen Temperatur).
Der Adsorptions-Effekt ist abhängig von:• der absoluten Temperatur (T)• dem Druck (p) und• dem Wechselwirkungspotential (E) zwischen Gas und Oberfläche
Gas
Pore Feststoff
nAds = F(T,P,E)
Adsorption Isotherme
OberflächenbestimmungOberflächenbestimmung
( )( )
0monomono0g PCVP1C
CV1
PPVP
⋅⋅⋅−
+⋅
=−⋅
a
b
( )P P VP
Sg −⋅
SP/P
BET-Plot
CV
1a
mono⋅
= ( )CV
1Cb
mono⋅
−=
BET - Gleichung Die Oberfläche wird charakterisiert durch:
die Größe der Oberflächedas Gesamtporenvolumendie Porengrößenverteilung
Berechnung der spezifischen Oberfläche:
mol
NLmonoBET V
ANVA 2
⋅⋅=
Abet – massenspezifische Oberfläche
NL – Avogadro Konstante
AN2 – Querschnittsfläche
Vmono – monomolekulares Adsorbatvolumen
Bild 13
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Nanopartikelsynthese im Sol-Gel-Prozeß
Sol-Gel-Reaktor REM-Aufnahmen Stabilisationsmechanismen bei der Synthese
inneres Minimum
stark koaguliert
leicht koaguliert
dispergiert
Anziehungs-kräfte
überwiegen
äußeres Minimum
Energie-barriere
direkte Abstoßung
pote
ntie
lle E
nerg
ie
kolloidales Gel im Reaktor
Kolloidkristall
Abstoßungs-kräfte
überwiegen
Anwendungsbeispielhocheffektive Antihaftbeschichtungdurch Nanopartikel
Bild 14
OTTOOTTO--VONVON--GUERICKEGUERICKE--UNIVERSITUNIVERSITÄÄT MAGDEBURGT MAGDEBURGFakultFakultäät ft füür Verfahrensr Verfahrens-- und Systemtechnikund Systemtechnik
Lehrstuhl für Mechanische VerfahrenstechnikLehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Herstellung und Charakterisierung von Herstellung und Charakterisierung von NanopartikelNanopartikelNanopartikel Nanopartikel synthetisierensynthetisieren
Kinetik der Koagulation und Peptisation
Koagulation
Peptization
Aggregat
Kolloidales Partikel
z4
zi, zj, zk ... Anzahlkonzentration i, j, k - mers
kij … Koagulationgeschwindigkeitskonstante i - mer + j - mer
bij … Peptizationgeschwindigkeitskonstante i - mer + j - mer
z1
k14
k11 b13
Simulation der Partikelgrößenverteilung während der Peptisationreaktion
TemperaturTemperatur : 50° C: 50° CHNOHNO3 3 : 0.1 M HNO: 0.1 M HNO33
Ti(OCTi(OC33HH77))44 : : 0.23 mol / l 0.23 mol / l RRüührgeschwindigkeit : 500 hrgeschwindigkeit : 500 rpmrpm
Reaktionskinetik untersuchenReaktionskinetik untersuchen
Kinetik simulierenKinetik simulieren
Bild 15
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Nanopartikel aus TiO2 - Herstellung und Charakterisierung
Anwendungsbeispiel :UV absorbierende Partikel in Sonnenschutzlotionen, Folien, Autolacken
Charakterisierung Chemische Reaktionen : Hydrolyse - Polykondensation - Peptization
Hydrolyse :
Ti(OC3H7)4 + 4 H2O Ti(OH)4 + 4 C3H7OH Tetra isopropyl orthotitanat (TTIP) Titan (IV) - hydroxid Isopropanol
wässrige Suspension, 50 °C
Polykondensation :
Ti(OH)4 TiO2 + 2 H2O Titan (IV) - hydroxid Titan (IV) -oxid
wässrige Suspension, 50 °C
Peptization :
TiO2 (Gel) nano - TiO2 (Sol) Titan (IV) - oxid Titan (IV) - oxid
pH 1,3 (0,1 M HNO3)
pH 1,3 (0,1 M HNO3)
wässrige Suspension, 50 °C
pH 1,3 (0,1 M HNO3)
Methode :Photonenkorrelationsspektroskopie und Mikroelektrophorese
TiOH OH
OH
Säure
+H+
OH2+
OH2+
OH2+
OH2+
OH
Stabilisierung des Titan (IV) - oxides
Ti
Partikelgröße und Oberflächen – Potential
Partikelgrößenverteilung
5 10 50 100Partikeldurchmesser in nm
10
20
30
40
%
Sol-Gel-Synthese - Peptisation
Bild 16
Rohstoff
(z.B. Zwiebeln)
Kühlraum T= -15°C(Input)
Dieses Produkt enthält nach der Bearbeitung
alle wichtigen Wertstoffe, die so für eine weitere
Verarbeitung in der Kosmetik-, Pharma- und Nahrungsmittelindustrie
verwendbar sind
fraktioniertes Endprodukt (Output)
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Kryogene Aufschlußzerkleinerung von biologischen Rohstoffen zur Gewinnung von Wertstoffen
Zweiwalzenmühle Schneidmühle SiebmaschineBild 17
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Herstellung von fließfähigen Produkten durch Pressagglomeration
Agglomerieren ist ein Prozess der mechanischen Kornvergrößerung.
W alzenpresse
Bild 18
Produkte
σz
σz
PartikelBindemittel
Poren
Zugspannung
möglischeBruchverläufe
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Untersuchung unerwünschter Bruchprozesse von Agglomeraten
Lagerung
Zerkleinerung
σ zσz
Meridianriß
F
F0,5 mm
unzerkleinerterRestkegel
Meridianbrüche
Der Bruch unter Zugspannung Die Bruchphänomene bei plastischem Verhalten
0
2
4
6
8
0 0,02 0,04 0,06 0,08Weg, s
Kra
ft F,
N
) Beanspruchung der Bruchstücke
Bruchpunkt
ElastischeVerformung
∫ ⋅=BS
dsFW0
B
Hertz
Weg s, mmBewegung und Verformungbei der Berührung der Rauhigeit
III
III IV
Elastisch-plastische Verformung
F
RE
Agglomerat
Wirbelschicht
Entleerung Förderung
Handhabung
Es wird nach Anwendung und/oder Handhabung eine Mindest- oder Maximalfestigkeit verlangtBild 19 Die Kraft-Weg-Kurve bei Druckversuchen
Wertvoller Zuschlagstoff kann aus Beton zurück-gewonnen werden. Dazu werden Untersuchungen an der Prallkanone und am Brecher durchgeführt.
Computer-
Simulationen
Experimente am
großtechnischen
Brecher
Bild 20
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DEM-Simulation der Aufschlußzerkleinerung von Beton
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Crack initiation and propagation in concrete ball
co u n ter -m a ss
m = 4 .5 t
im p a ct sp a ce
a cce lera tion tu b e
1 0.20 m
3.40
m2.4
0 mV = 20 0 0 l
lo ad in g d evice
fas t re lea se va lv e co m p r esso r p res su re tan k
Test rig
050
100150200250300350400450
0 0.5 1 1.5 2
Tim e, m illiseconds
Forc
e re
spon
se a
t wal
l, kN
39 m/s
21 m/s
20 m/s
7.7 m/s
39 m/s
21 m/s
20 m/s
7.7 m/s
FEM Simulation Comparision of Force experienced by impacted wall from DEM DEM Simulationtensioncompression
Bild 21
v = 20 m/s
Fractured ball
St oßz one
Stoßzone
Mahlkörper Partikelstrom
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 180.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
Bo=1.5 Bo=2.25 Bo=3
Fest
stof
fkon
zent
ratio
n c p
Zeit t in s
Rotorumfangs-geschwindigkeitbis zu 20 m/s ,
Mahlraum ca. 3 l
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Herstellung von Nanopartikeln mittels Feinstzerkleinerung
Rührwerkskugelmühle
Bild 22