Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6528
Main Title: Systematic coalescence investigations in liquid/liquid systems
Subtitle: from single drops to technical applications
Translated Title: Systematische Untersuchung der Koaleszenz in Flüssig/flüssig-Dispersionen
Translated Subtitle: von Einzeltropfen zu technischen Anwendungen
Author(s): Kamp, Johannes
Advisor(s): Kraume, Matthias
Referee(s): Kraume, Matthias
Pfennig, Andreas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Liquid/liquid dispersions, which are mixtures of (nearly) immiscible liquids, are an integral part of many technical processes and everyday consumer products. For example, in technical processes the interfacial area is increased by dispersion to enhance mass and heat transfer; or consumer products like lotions and creams consist of stabilised oil/water dispersions. The process efficiency and resulting product quality are particularly influenced by the drop size distribution that consequently is the essential parameter of liquid/liquid dispersions. The drop size distribution is determined by the fundamental phenomena of drop breakage and coalescence which are still not understood in detail and are in the focus of current research up to now. Especially, the complex interactions at different scales during coalescence of two drops still prevent a consistent description of the coalescence process. Available modelling approaches consider mechanistic steps during coalescence but need stochastic methods to describe the coalescence probability within a liquid/liquid system. Due to various superimposing influencing factors on coalescence, available models do not implement these influences consistently and predict partly contradictory dependencies. Consequently, it is mandatory to evaluate and validate existing coalescence descriptions and develop reliable models. In this thesis a systematic approach of coalescence research was pursued: single drop experiments were used to determine fundamental influencing parameters and to evaluate and develop coalescence models. To establish a solid data base of experimental results, an automated test cell was established using high speed imaging. With this set-up the coalescence process of two colliding drops was examined under defined conditions. An automated image analysis was developed to process the high amount of gained data. Using detailed investigations of the influences of drop size and drop collision velocity, available coalescence models were evaluated and validated. Furthermore, it was possible to determine the numerical parameter of coalescence efficiency models. Due to the systematic single drop experiments, the coalescence parameter was determined independently from drop breakage. Based on these findings a transfer to the description of drop swarms in dynamic liquid/liquid systems was performed using population balance equations as modelling framework. In this framework the fundamental phenomena of drop breakage and coalescence are implemented separately and can be modelled independently. Applying the determined coalescence parameter, the simulations were validated by drop size distribution measurements in a stirred vessel. Moreover, a coalescence efficiency model was developed which implements electrostatic repulsions due to ion partition effects at the interface in liquid/liquid systems. This model was applied to describe an observed coalescence inhibition at high pH values in a stirred tank.
Flüssig/flüssig-Dispersionen, die eine Mischung von (nahezu) unlöslichen Flüssigkeiten darstellen, sind ein integraler Bestandteil vieler technischer Prozesse und alltäglicher Konsumgüter. Beispielsweise wird in technischen Prozessen die Phasengrenzfläche durch Dispergierung erhöht, um einen Stoff- oder Wärmetransport zu verbessern; bzw. bestehen Konsumgüter wie Lotionen und Cremes aus stabilisierten Öl/Wasser-Dispersionen. Die Tropfengrößenverteilung in Flüssig/flüssig-Systemen, welche durch die fundamentalen Phänomene Tropfenbruch und Koaleszenz bestimmt wird, ist maßgeblich für die Prozesseffizienz und die resultierende Produktqualität. Dennoch sind die Details von Tropfenbruch und –koaleszenz noch nicht vollständig verstanden und stehen im Fokus aktueller Forschungsaktivitäten. Insbesondere die komplexen Wechselwirkungen in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Größenordnungen während der Koaleszenz von Tropfen verhindern bis heute eine konsistente Beschreibung des Koaleszenzvorganges. Bestehende Modellierungsansätze berücksichtigen zwar einige mechanistische Schritte, die während der Koaleszenz auftreten, müssen aber auf statistische Methoden zurückgreifen, um die Koaleszenz in Flüssig/flüssig-Dispersionen zu beschreiben. Aufgrund der vielfältigen Einflussfaktoren auf die Koaleszenz implementieren existierende Modelle diese Einflüsse inkonsistent und sagen teilweise widersprüchliche Abhängigkeiten voraus. Daher ist es notwendig existierende Modelle zu evaluieren, ggf. zu validieren und neue zuverlässige Beschreibungsansätze zu entwickeln. In dieser Arbeit wurde ein systematischer Ansatz zur Analyse der Koaleszenz verfolgt: Einzeltropfenuntersuchungen wurden genutzt, um fundamentale Einflussfaktoren zu bestimmen und Koaleszenzmodelle zu evaluieren und gegebenenfalls weiter zu entwickeln. Um eine solide Datenbasis experimenteller Daten zu erzeugen, wurde eine automatisierte Testzelle aufgebaut mit der durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Koaleszenzprozess zwischen zwei kollidierenden Tropfen unter definierten Bedingungen untersucht wurde. Eine automatisierte Bildauswertung wurde entwickelt, um die anfallenden großen Datenmengen verarbeiten zu können. Mit der detaillierten Analyse des Einflusses von Tropfengröße und Kollisionsgeschwindigkeit wurden existierende Koaleszenzeffizienzmodelle evaluiert und validiert. Darüber hinaus wurde der numerische Parameter der Koaleszenzmodelle angepasst. Aufgrund der systematischen Einzeltropfenuntersuchungen konnte dieser Parameter unabhängig vom Tropfenbruch bestimmt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein Transfer zur Beschreibung von Tropfenschwärmen in dynamischen Flüssig/flüssig-Systemen vollzogen, wobei Populationsbilanzen als Modellierungsumgebung benutzt wurden. In Populationsbilanzen werden die grundlegenden Phänomene des Tropfenbruchs und der Koaleszenz einzeln implementiert und können unabhängig voneinander modelliert werden. Simulationen mit dem aus Einzeltropfenexperimenten bestimmten Koaleszenzparameter wurden durch Messungen von Tropfengrößen in Rührkesselexperimenten validiert. Darüber hinaus wurde ein Koaleszenzeffizienzmodell entwickelt, das den Einfluss elektrostatischer Repulsionen berücksichtigt, die durch eine Ungleichverteilung von Ionen an Grenzflächen in Flüssig/flüssig-Systemen induziert werden. Dieses Modell wurde benutzt, um die beobachtete Koaleszenzhemmung bei hohen pH Werten im Rührkessel zu beschreiben.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7252
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6528
Exam Date: 15-Jun-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 7-Dec-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): coalescence
single drop experiments
liquid/liquid dispersion
population balance equation
high speed imaging
Koaleszenz
Populationsbilanz
Sponsor/Funder: DFG, KR 1639/19-1, Koaleszenzeffizienz in binären Systemen
DFG, KR 1639/19-2, Koaleszenzeffizienz in binären Systemen
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