Optimierung der überkritischen Trocknung von Aerogelen in einem 800-Liter-Autoklaven: Ein numerischer Ansatz der Strömungsmechanik

Abstract

In dieser Forschungsarbeit wird eine CFD-Studie (Computational Fluid Dynamics) vorgestellt, die sich auf die Optimierung des Trocknungsprozesses von Aerogelen in einem 800 L Autoklaven konzentriert. Das Hauptziel ist die Untersuchung des Einflusses der CO2-Einlassgeometrie auf das Erreichen einer homogenen Strömungsverteilung im Autoklaven, die für die gleichmäßige Trocknung von Aerogelen entscheidend ist. Es werden verschiedene geometrische Konfigurationen der jeweiligen Einbauten im Extraktionsraum des Autoklaven untersucht, um das Design zu ermitteln, welches das gleichmäßigste Strömungsmuster ermöglicht. Die Studie verwendet Ansys Fluent für die Simulation, wobei die Navier-Stokes-Gleichungen für inkompressible Strömungen verwendet und die Auswirkungen von Grenzschichten einbezogen werden, um die Strömungseigenschaften zu verstehen, welche von laminar bis sublaminar reichen. Schlüsselparameter wie Druck, Temperatur und dynamische Viskosität von CO2 (die gemäß dem Sutherland-Gesetz als temperaturabhängig betrachtet wird) werden in die Simulation integriert, um die realen Bedingungen genau nachzubilden. Das optimale Autoklavendesign wird durch eine vergleichende Analyse auf der Grundlage der Gleichmäßigkeit der Strömung bestimmt. Dieser numerische Ansatz ermöglicht die präzise Anpassung der Trocknungsbedingungen, die für die Herstellung hochwertiger Aerogele unerlässlich ist. Der gesamte Zyklus des Prozesses, einschließlich Druckinjektion, überkritische Trocknung und Entgasung, wird über einen typischen Arbeitstag simuliert. Ziel dieser Studie ist es, mit Hilfe numerischer Methoden einen wichtigen Beitrag zur Aerogelproduktion zu leisten und Einblicke in die Optimierung des Prozessdesigns zu geben, um einen möglichst schnellen Extraktionsprozess bei idealen Trocknungsbedingungen zu erreichen.