Wie lassen sich Strömungswiderstände in Düsenströmungswegen beurteilen und kontrollieren?

Bei der Herstellung von Hohlfasern für die Ultrafiltration mittels NIPS- und TIPS-Verfahren ist die Spinndüse die zentrale „Düse“: Konzentrische innere (Bohrung) und äußere (Spray-) Strömungswege müssen hinsichtlich ihres Widerstands aufeinander abgestimmt sein, um ein stabiles Lumen und eine selektive Außenhaut zu erzeugen. Die Auslegung, Überprüfung und Online-Kontrolle des Strömungswiderstands bestimmen die Gleichmäßigkeit zwischen den Bohrungen, die Stabilität des Außen-/Innendurchmessers und die Reproduzierbarkeit der Morphologie. Dieser Artikel greift die ursprüngliche Logik auf – Konzepte, Bewertungsmethoden, geometrische Einflüsse, Kontrolltechniken, Simulation, Anwendungen – und überträgt sie auf die in der UF-Hohlfaserherstellung verwendeten Spinndüsen.

Bewertung des Strömungswiderstands bei der Auslegung von Spinnerplatten: Schlüsselfaktoren

• Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit: Ringförmige Stege, Kapillaren und Übergänge sollten abrupte Erweiterungen/Verengungen minimieren. Geringe Rauheit und gratfreie Kanten reduzieren Druckverlustgeräusche und Verstopfungsbildung.
• Winkel und Übergänge: Eine optimierte Vorverdichtung und sich verjüngende Einläufe leiten das Schmiermittel gleichmäßig in den Ringspalt und reduzieren so Sekundärströmungen, die die Scherung verzerren.
• Druckabfallfenster: Ziel ist ein Druckabfall, der hoch genug ist, um die vorgelagerte Welligkeit zu dominieren, aber niedrig genug, um thermische/mechanische Belastungen und übermäßige Verweilzeiten zu vermeiden.
• Innen-Außen-Anpassung: Die hydraulischen Widerstände von Bohrung und Düngemittel müssen so abgestimmt werden, dass das eingestellte Verhältnis von Bohrungs- zu Düngemittelfluss bei einem gemeinsamen Verteilerdruck erreicht wird, wodurch ein konzentrisches Lumen und eine gleichmäßige Wandstärke gewährleistet werden.

Strömungswege in Spinndüsen verstehen: Konzepte und Definitionen

• Dosierkanal: Äußerer Ringraum zur Zufuhr von Polymerlösung (NIPS) oder Polymer/Verdünnungsmittel-Schmelze (TIPS).
• Bohrkanal: Innere Kapillare, die Bohrflüssigkeit (NIPS-Nichtlösungsmittel- oder TIPS-Kühlmittel-/Verdünnungsmittelweg) zuführt, um das Lumen zu stabilisieren und die Phasenumkehr einzuleiten.
• Widerstandsanpassung: Kanallänge, Durchmesser (Spalt), L/D und Verjüngung so einstellen, dass beide Kreisläufe bei angepasstem Druck das gewünschte Durchflussverhältnis erreichen.
• Auslassscherprofil: Eine abgeflachte Scherratenverteilung am ringförmigen Rand unterdrückt Barus-Schwellung, Exzentrizität und Auslassspiralisierung.

Methoden zur Messung des Strömungswiderstands in Spinnersystemen

• Druckabfall im Verteiler: ΔP über die Verteilerkammer messen und bei konstantem Durchfluss ansetzen; Widerstand für Schmiermittel und Bohrung separat ableiten.
• Inline-Durchfluss-/Druckmessung: Hochauflösende Sensoren erfassen Pulsationen und ermöglichen so die Erkennung von Ungleichgewichten und Teilverstopfungen pro Kern/Bohrloch.
• Bench-Rigs: Testvorrichtungen mit einem oder wenigen Löchern minimieren das Geometrierisiko vor der Skalierung auf vollständige Platten.
• Korrelationsbasierte Schätzung: Rheologie + Geometrie mit Poiseuille/Darcy–Weisbach (Newtonsch) oder Potenzgesetz/Herschel–Bulkley plus verallgemeinerte Reynolds und Dodge–Metzner/Metzner–Reed (nicht-Newtonsch) zur Vorhersage von ΔP verwenden.

Tabelle: Mess- und Analysemethoden für den Strömungswiderstand von Spinndüsen

Einfluss geometrischer Parameter auf den Strömungswiderstand in Spinnerplatten

• Spalt und L/D: Der ringförmige Landspalt und die Landlänge bestimmen den Widerstand und die Austrittsschubkraft. Ein zu kleiner Spalt oder eine zu lange Landlänge erhöhen den Druckunterschied (ΔP) und die Wärmebelastung; ein zu kurzer Spalt birgt das Risiko von Einlaufeffekten und ungleichmäßiger Schubkraft.
• Kanallänge/-durchmesser stromaufwärts: Lange, schmale Zuleitungen gleichen den Durchfluss aus, erhöhen aber den Druckunterschied (ΔP); verwenden Sie Verteiler mit gleichem Widerstand, um dies auszugleichen.
• Winkel und Kanten: Scharfe Ecken begünstigen Wirbelbildung; Mikro-Fasen/Abrundungen am Auslass unterdrücken Kanteninstabilitäten („Haifischhaut“-artige Oberflächenprobleme).
• Konzentrizität: Die Toleranz des Ringspalts muss innerhalb enger Grenzen (z. B. ≤±2 μm) gehalten werden, um eine Scherverzerrung in Umfangsrichtung und eine Lumenexzentrizität zu vermeiden.

Techniken zur Steuerung und Optimierung des Strömungswiderstands

• Theoretische Anpassung: Die Viskosität der Dosierlösung, der Zielfluss und die Kanalabmessungen werden kombiniert, um den Druckunterschied zwischen Dosierlösung und Bohrung zu berechnen. Dieser Vorgang wird iterativ wiederholt, bis eine Anpassung beim Betriebsdruck erreicht ist.
• Konstruktionskompensation: Bei großen Viskositätsunterschieden kann der Bereich mit hoher Viskosität verkürzt und verbreitert oder es können sich verjüngende Abschnitte hinzugefügt werden, um die Empfindlichkeit zu verringern.
• Auslassoptimierung: Nutzen Sie konvergierende Flächen (z. B. 5–15°) oder sorgfältig ausgewählte konstante Querschnitte, um die Scherung zu glätten; vermeiden Sie plötzliche Flächenänderungen.
• Online-Anpassung: Die Drehzahlen der inneren/äußeren Dosierpumpen oder der Steuerventile können unabhängig voneinander angepasst werden, um die Durchflussmengen bei Viskositätsänderungen wieder auszugleichen.

Simulations- und Rechenwerkzeuge für die Widerstandsanalyse

• Multiphysikalische CFD: Modellierung nicht-Newtonscher Fluide, Temperaturfelder (TIPS) oder Massentransfer (NIPS) und Berechnung von Geschwindigkeits-/Druck-/Scherfeldern durch die Verteilerkammer, die Vorverdichtung und das Land.
• Empfindlichkeitsmessungen: Durch Variieren von Spaltbreite, L/D-Verhältnis, Verjüngung und Einlassasymmetrie lassen sich die Ursachen für Ungleichmäßigkeiten vor dem Schneiden des Metalls aufdecken.
• Validierungsschleife: CFD-Simulation mit rheometrischen und ΔP–Q-Messungen am Prüfstand; anschließende Bestätigung bei Kurzzeit-Schleuderversuchen mit OD/ID- und Wand-RSD-Metriken.

Praxisanwendung beim UF-Hohlfaserspinnen

• NIPS-Linien: Widerstandsangepasste Dope/Bore-Schaltkreise stabilisieren das Lumen beim Start und erhalten die Hautkonsistenz über Luftspalt- und Koagulationsbadwechsel hinweg aufrecht.
• TIPS-Linien: Thermische Gleichmäßigkeit und ausgewogener Widerstand verhindern vorzeitiges Erstarren und erhalten die Ziehstabilität; kompakte Verteiler mit gleichen Weglängen reduzieren die Drift pro Bohrloch.
• Modulare Kerne: Unabhängige Kerne in Mehrlochplatten ermöglichen die Durchflussregulierung pro Kern und eine schnelle Wartung, ohne die gesamte Platte zu beeinträchtigen.

Abschluss

Die Beurteilung und Kontrolle des Strömungswiderstands in UF-Spinndüsenplatten hängt von präziser Rheologie, ausgewogener Spinnlösung/Bohrungshydraulik, optimierten Geometrien und validierten CFD-Simulationen ab. Durch die Anpassung des Widerstands wird ein stabiles Lumen und selektive Membranoberflächen geschaffen; Online-Anpassungen halten das Gleichgewicht bei Viskositäts- und Temperaturänderungen aufrecht. Dank hoher Konzentrizität, optimiertem Längen-Durchmesser-Verhältnis (L/D) und Verjüngungen sowie robuster Mess- und Rückkopplungstechnik erreichen die NIPS- und TIPS-Anlagen einheitliche Außen- und Innendurchmesser, geringe relative Wandabweichungen (RSD) und eine reproduzierbare Membranmorphologie.