n KEMITEKNIK Forstå pulver gennem simuleringer Pulverbaserede produkter har mange fordele, men pulverets uforudsigelige og komplekse adfærd vanskeliggør at styre de processer, der producerer det. Med avancerede numeriske simuleringer kan vi nu kigge ind i selve procesudstyret og dermed designe forbedrede processer. Af Nikolai Jessen, Oliver Massaad, DTU Kemiteknik, Alexander Findeisen, Pär Tufvesson, Novonesis, og Ulrich Krühne, DTU Kemiteknik Pulverform er en effektiv måde at formulere produkter på inden for kemi-, fødevare- og farmaceutisk industri. En- zymer, proteiner og mange lægemidler forarbejdes ofte fra opløsning til pulver, da dette kan forlænge holdbarheden eller forbedre håndterbarheden [1]. Pulvere er desuden mere termodynamisk stabile ved højere temperaturer, hvilket elimi- nerer behovet for køling under opbeva- ring og transport [2]. Typiske pulverpro- cesser kunne være spraytørring af mælk til mælkepulver eller granulering af farmaceutiske pulvere før tablettering. Dog er håndtering af pulver kompleks. Det kan opføre sig som støv i luften, flyde som en væske eller lægge sig på bunden. Partikler kan også agglomerere, fragmentere eller klistre til overflader – afhængigt af deres egenskaber og miljøet [3]. Disse kompleksiteter gør det vanskeligt at designe pulverprocesser, da simple modeller ikke kan beskrive, hvad der sker i procesudstyret. Derfor anvender forskere og virksomheder i stigende grad avan- cerede compu- tersimuleringer til at beregne, hvordan partik- ler, væsker og gasser bevæger sig og interagerer i procesudstyret. Denne artikel beskriver to nume- Figur 1. Et kig ind i en spray dryer ved brug af simuleringer. Figur 2. De tre trin, der bruges i CFD for en spray dryer. riske modelleringskoncepter; Com- putational Fluid Dynamics (CFD) og Discrete Element Method (DEM), samt hvordan de kan bruges til at simulere pulverprocesser. Simulering af luftstrømme med Computational Fluid Dynamics Generelt kan fluiders bevægelser, såsom luftstrømmene inde i en spraytørrer, beskrives ved et sæt styrende ligninger (engelsk: governing equations ). Disse ligninger beskriver ikke kun, hvordan luften bevæger sig, men også hvordan andre variable som varme og fugtighed transporteres i luften. Udfordringen er, at ligningerne er for komplekse til at kunne løses analytisk ved brug af simple matematiske beregninger. I stedet an- vendes numeriske computeralgoritmer, som kan approksimere en løsning til disse ligninger ved at opdele luftvolu- menet inde i procesudstyret i et stort antal små celler. Denne modeltilgang kaldes Computational Fluid Dynamics (CFD). I praksis kan arbejdet med at anvende CFD på et procesudstyr opdeles i tre trin: a) Geometri og randbetingelser : Først optegnes det luftvolumen, der findes inde i procesudstyret. Her defineres også de overflader, der fungerer som indløb, udløb og vægge for luftstrømmen (figur 2a). b) Mesh : Volumenet opdeles i tusind- vis af små celler, hvilket er en forud- sætning for at kunne løse de styrende ligninger. Her vil antallet af celler have en stor indflydelse på præcision og beregningstid for ens resultater. Flere celler giver typisk højere nøjagtighed, men også længere beregningstid. Denne proces kaldes meshing (figur 2b). c) Beregning og resultater : Lignin- gerne løses af computeralgoritmen, og herved opnås resultaterne. I tilfældet med en spraytørrer giver dette en fuld 3D-løsning af luftstrømmen sammen med gradienter i temperatur og fugtig- hed inde i kammeret. Disse resultater kan anvendes til at opnå en bedre forstå- else af tørringsprocessen og af dråber- nes og partiklers bevægelse, som begge påvirkes af luftstrømmen (figur 2c). Simulering af partikler med Discrete Element Method Hvor CFD er velegnet til at simulere væsker og gasser som et kontinuum, er pulver anderledes, da de enkelte partikler kan opføre sig uafhængigt af 26 Dansk Kemi, 106, nr. 5, 2025 -
Download PDF fil
Se arkivet med udgivelser af Dansk Kemi her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her