Modeling of segregated systems with defined modulation of product properties

Die Herstellung von Partikeln mit definierten Eigenschaften, wie der Partikelgröße und einer engen Partikelgrößenverteilung, erfordert heute in der Verfahrensentwicklung zeit- und kostenintensive Experimente. Durch die Entwicklung neuer Verfahren sowie leistungsstarker Modelle und Simulationswerkzeuge soll in Zukunft dieser Aufwand reduziert werden. Eine in der chemischen Industrie häufig anzutreffende Verfahrensvariante ist dabei die Fällung in Emulsionstropfen. Diese Reaktionsführung ermöglicht eine Größenkontrolle der Tropfen und damit auch der Partikelgröße. Emulsionen werden je nach Tropfengröße in Makro-, Mini- oder Mikroemulsionen eingeteilt, wobei letztere für die Nanopartikelherstellung geeignet sind. Eine weitere Charakterisierungsmöglichkeit von Emulsionen bietet der Segregationszustand des Systems. Dieser ermöglicht die Übertragung der für die Emulsionen aufgestellten Modelle auf andere fluide Systeme, um so zu einer allgemeineren Betrachtung der Partikelbildung zu gelangen. Bei der Modellierung werden häufig Populationsbilanzen verwendet, durch diese werden die Partikel hinsichtlich einer oder mehrerer Eigenschaften (Tropfengröße, Zusammensetzung, etc.) bilanziert. Im eindimensionalen Fall mit einer Eigenschaftskoordinate ist die Lösung der Populationsbilanz, die innerhalb der Differentialgleichung integrale Terme für den Bruch und Koaleszenz der Tropfen enthält, relativ unproblematisch. Bei der für viele Emulsionen notwendigen Erweiterung auf eine mehrdimensionale Bilanz sind bis heute allerdings keine geeigneten Diskretisierungsverfahren vorhanden, die in einen vertretbaren Zeitraum zu einer stabilen Lösung führen.