Dieses Projekt befasst sich mit der Optimierung von Transportprozessen zwischen (nano-)strukturierten reaktiven Oberflächen und der flüssigen Hauptphase auf Mikro- bis Millimeterskalen unter Berücksichtigung von zeitabhängigen Konzentrationsfeldern und Lagrangeschen Kohärenzstrukturen.
Eines der Hauptprobleme von Mehrphasenreaktoren ist heute der kaum vorhersagbare Impuls-, Wärme- und Stofftransport zwischen Grenzschichten und der heterogenen turbulenten flüssigen Phase. Dies betrifft sowohl katalytisch aktive Oberflächen an Reaktorwänden oder porösen Strukturen als auch dispergierte gasförmige, flüssige oder feste Partikel.
Transporthemmende Barrieren können in stabilen Wirbeln in sogenannten Totzonen in Wirbelschleppen oder hinter Hindernissen auftreten, z. B. hinter Streben in strukturierten Reaktoren oder Gasblasen. Strömungsstrukturen dieser Art dominieren die lokale Durchmischung und Verweilzeitverteilung und können einen enormen Einfluss auf die Leistung einer biochemischen oder chemischen Reaktion haben. Um eine optimale Ausbeute eines Konversionsprozesses zu erzielen, müssen die kritischsten Strömungsbedingungen, die den Transport beeinträchtigen, identifiziert und beseitigt werden. In jüngster Zeit wurden neue Analysewerkzeuge für die Erkennung von Transportbeschränkungen in der Verfahrenstechnik entwickelt: Trajektorien und Geschwindigkeitsfelder der Flüssigkeitsströmung und der dispergierten Partikel können in 2D und 3D erfasst und ausgewertet werden, um detaillierte Informationen über Lagrange'sche Kohärenzstrukturen (LCS) zu erhalten, z. B. durch die Analyse von Finite-Time-Lyapunov-Exponenten (FTLE).
In diesem Projekt werden die neuesten optischen Mikromesstechniken eingesetzt, um die Strömungsdynamik in SMART-Reaktoren zu untersuchen, wie z. B. die zeitaufgelöste Mikropartikelbild-Velocimetrie (m-PIV), die Stereo-Partikelverfolgungs-Velocimetrie (S-PTV) oder die Astigmatismus-Partikelverfolgung. Lagrange Strukturen, wie LCS werden aus den Trajektorien- und Geschwindigkeitsdaten von Strömungen in der Nähe mikrostruktureller Oberflächen abgeleitet. Auf diese Weise werden Transportbarrieren auf der Mikroskala identifiziert, z. B. aufgrund von Einschlussströmung, Strömungsgradienten, wiederholtes Dehnen und Falten und/oder Rückströmungen in CNT-Trägerstrukturen, porösen Materialien oder Kohlenstoffschäume. Zusammen mit Mikro-Konzentrationsfeldmessungen mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) und Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie (LSFM) wird der transiente Stofftransport erfasst. Dies ermöglicht die Auswertung der Konzentrationsänderungen entlang der Trajektorien der Flüssigkeitspakete.
Auf diese Weise kann der Verlauf des Massentransports in die Lagrangesche Mischungsstatistik einbezogen werden. Mit diesen neuen Methoden sollen die Mikro- und Mesostrukturen, z.B. von katalytisch aktiven Oberflächen, im Hinblick auf die jeweiligen Transport- und Reaktionsbedingungen optimiert werden. Insbesondere die Auswirkung von schaltbaren Zuständen nanostrukturierter Oberflächen, die die Benetzbarkeit oder die geometrischen Konfigurationen verändern, wird im Hinblick auf den Stofftransport und die Mischleistung detailliert analysiert. Ziel dieses Projektes ist die experimentelle Bestimmung, phänomenologische Modellierung und Optimierung von Transportprozessen an und in den strukturierten Reaktorkomponenten die im Projektbereich A des SFB 1615 entwickelt wurden. Außerdem sollen diese Komponenten optimal in SMART-Reaktoren im Bereich C des SFB 1615 integriert werden. Dieses Projekt ist somit ein Bindeglied zwischen den beiden Projektbereichen und dient dem Wissenstransfer. Konkret wollen wir die folgenden Forschungsfragen beantworten:
- Wie beeinflussen nanostrukturierte Komponenten zur in-situ Detektion und Selbstregulierung Transportprozesse von der Mikro- bis zur Millimeterskala?
- Wie lässt sich der Einfluss angepasster Komponenten auf Transportprozesse phänomenologisch modellieren und in geeignete Korrelationen überführen?
- Wie müssen nanostrukturierte Komponenten in Reaktoren integriert werden, um eine maximale Funktionalität zu erreichen?
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