Characterization and modelling of dispersion systems with variable viscosity

Promovendus/a: Pavel Krýsa

Promotor(en): Prof. dr. ir. Simon Kuhn, Prof. Miroslav Šoóš

Meerfasige systemen komen voor in zowel natuurlijke fenomenen als industriële processen – van biochemische reactors en chemische productie tot voedselproductie en farmaceutische formuleringen. Het begrijpen van het gedrag van deze systemen is cruciaal voor procesefficiëntie, productkwaliteit en veiligheid. Het kan gaan om combinaties van vloeibare, gasvormige of vaste fasen die met elkaar interageren via de uitwisseling van impuls, warmte en massa. Tegelijkertijd zijn fenomenen zoals druppel- of belbreuk en coalescentie van groot belang omdat ze de algehele prestaties sterk beïnvloeden. Dankzij de snelle groei van computationele rekenkracht kunnen we nu veel van deze complexe systemen simuleren in plaats van alleen op fysieke experimenten te vertrouwen, die zowel tijdrovend als kostbaar kunnen zijn.

Het primaire doel van deze thesis was het ontwikkelen van een algemeen en robuust computationeel kader dat in staat is om meerfasige systemen met variabele viscositeit van de gedispergeerde fase nauwkeurig te beschrijven. Dergelijke situaties komen bijvoorbeeld voor in biochemische reactors met levende cellen, bij het mengen van twee niet-mengbare vloeistoffen, of in processen waarbij kristallisatie begint plaats te vinden binnenin een druppel die in een andere vloeistof wordt geïnjecteerd. Om dit te bereiken, werd een uitgebreid model geconstrueerd door de Euler-Lagrange methode, die individuele bellen of druppels volgt, te combineren met de volume of fluid methode, die de dynamica van het vrije vloeistofoppervlak in rekening brengt. Deze combinatie maakt een gedetailleerde beschrijving van druppel- en belbeweging mogelijk, terwijl rekening wordt gehouden met breuk en coalescentie, evenals de invloed van de geometrie van het vat en de bedrijfsomstandigheden op massaoverdracht. Uitgebreid experimenteel werk werd parallel aan de simulaties uitgevoerd en bestond uit het meten van bel- en druppelgroottes, en volumetrische massaoverdrachtscoëfficiënten onder verschillende procesparameters zoals roersnelheid, viscositeit van de gedispergeerde fase en concentratie. Het gecombineerde model toonde sterke overeenstemming met de experimentele resultaten.

Als uitbreiding van het vloeistof-vloeistof systeem werd ook het proces van sferische kristallisatie onderzocht, een aantrekkelijke techniek voor de productie van sferische deeltjes. Experimenten onthulden de kritieke parameters die succesvolle deeltjesvorming bepalen, waaronder stabilisatorconcentratie, temperatuurgradiënten en minimale druppelbelasting. Deze bevindingen kunnen dienen als essentiële richtlijn voor toekomstige uitbreiding van het computationele model naar complexere processen.

Samengevat biedt dit onderzoek een veelzijdig en gevalideerd computationeel kader voor het voorspellen van het gedrag van meerfasige systemen. Door rigoureus modelleren te combineren met uitgebreide experimentele validatie, levert het werk een basis voor betrouwbaardere ontwerp-, optimalisatie- en opschalingsstrategieën van industriële processen, variërend van biochemische productie tot geavanceerde materiaalsynthese. De resultaten dragen bij aan een dieper begrip van de dynamica van meerfasige stromen en bieden praktische hulpmiddelen om efficiëntie, veiligheid en procescontrole in een breed scala van toepassingen te verbeteren.