OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG¤ge/Folien/Schuelerfolien_MVT_03.pdf · studentisches Praktikum Grundlagenforschung am Ringschergerät Schiffsentladestation der ortsansässigen

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



Lagerung in Behältern – Mechanisches Verhalten von:a) Stückgut b) Flüssigkeit c) Gas d) Schüttgut

mit Vorgeschichte

Bild 4



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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


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)


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)



Kryogene Aufschlußzerkleinerung von biologischen Rohstoffen zur Gewinnung von Wertstoffen

Zweiwalzenmühle Schneidmühle SiebmaschineBild 17



Herstellung von fließfähigen Produkten durch Pressagglomeration

Agglomerieren ist ein Prozess der mechanischen Kornvergrößerung.

W alzenpresse

Bild 18

Produkte

σz

σz

PartikelBindemittel

Poren

Zugspannung

möglischeBruchverläufe



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



DEM-Simulation der Aufschlußzerkleinerung von Beton



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



Herstellung von Nanopartikeln mittels Feinstzerkleinerung

Rührwerkskugelmühle

Bild 22

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