1740: Einfluss lokaler Transportprozesse auf chemische Reaktionen in Blasenströmungen

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Michael Schlüter

Das Problem bei der Herstellung von Chemikalien für z.B. Kunststoffe, Farben, Lacke oder auch Pharmazeutika ist die geringe Ausbeute innerhalb des Umwandlungsprozesses. 80 Prozent sind häufig nicht mehr weiter nutzbare minderwertige Nebenprodukte, die als Abfall, Abwasser oder Abluft entsorgt werden müssen. In Zeiten von Rohstoffknappheit, steigenden Rohstoffpreisen und des Umweltschutzes müssen effizientere Verfahren durch den Einsatz innovativer Methoden entwickelt werden. Dies geschieht durch die intensive Zusammenarbeit zwischen Verfahrenstechnik, Strömungsmechanik, der Chemie und der Mathematik.

Die Umwandlung von Stoffen mit hoher Ausbeute und Selektivität ist eine der vorrangigsten Aufgaben der chemischen Verfahrenstechnik. Für viele Bulkchemikalien müssen gasförmige Stoffe mit einer kontinuierlichen flüssigen Phase vermischt und zur Reaktion gebracht werden (z.B. Oxidationen). Als für Einphasenströmungen gezeigt wurde, dass chemische Reaktionen durch die Vermischung auf unterschiedlichen Zeit- und Größenskalen beeinflusst werden, war  für reaktive Blasenströmungen ein großes Optimierungspotenzial erkennbar, da hier zusätzliche Transportwiderstände durch Phasengrenzen und Grenzschichten auftreten. Skalenübergreifende Transportprozesse mit gekoppelter Reaktion konnten bisher nicht ausreichend beschrieben werden, so dass häufig Reaktionsgeschwindigkeiten zu Grunde gelegt wurden, die neben der intrinsischen Kinetik einen unbekannten Stofftransportanteil einbeziehen. Die Übertragbarkeit von Modellen und die prädiktive Vorhersage von Ausbeute und Selektivität sind nur sehr begrenzt möglich.

Heute stehen zur experimentellen Bestimmung von intrinsischen Kinetiken und zur Aufklärung einzelner Reaktionsschritte sowie lokaler Stofftransportprozesse neue miniaturisierte Reaktoren, Untersuchungsmethoden und Messtechniken zur Verfügung, die Prozesse auf kleinsten Zeit- und Größenskalen auflösen (z.B. Bildsensortechnik). Zudem wurden im Bereich der numerischen Simulation mit neuen Hochleistungsrechnern und neuen Methoden (z.B. Berücksichtigung von Konzentrationssprüngen an Phasengrenzen und Grenzflächenkontaminationen) enorme Fortschritte erzielt.

Um die Herausforderungen einer prädiktiven Prozessführung zu bewältigen, müssen diese experimentellen und numerischen Fortschritte für die Verfahrenstechnik nutzbar gemacht und Stofftransport- und Reaktionsschritte lokal gekoppelt werden. Die neuen Möglichkeiten zur Aufklärung von Reaktionsnetzwerken und lokalen Transportprozessen sowie zur numerischen Simulation von Gas-Flüssig-Grenzflächen sollen im SPP gezielt für die systematische Analyse komplexer verfahrenstechnischer Prozesse genutzt werden. Dazu ist es erforderlich, Reaktionssysteme so genau zu charakterisieren, wie es für die detaillierte Erfassung der Wechselwirkung von Gas-Flüssig-Stofftransport und -Reaktion notwendig ist. Neue Methoden zur Einstellung definierter Vermischungsverhältnisse (Mikroreaktoren, Turbulenzgeneratoren) sollen hierbei ebenso zur Anwendung kommen, wie neue Messapparaturen (z.B. Drehkammer, Taylor-Flow Kapillaren) und neue Analysemethoden (z.B. Resonanz-Raman-, Coherente Anti-Stokes-Raman- und Zweiphotonen Spektroskopie). In der numerischen Simulation sind neue Methoden zur Berechnung des Stoffübergangs und der Implementierung von Reaktionen erforderlich (z.B. dynamisch adaptierte Gitter in Kombination mit parallelen Rechentechniken). Im SPP sollen somit experimentelle und numerische Methoden gleichwertig zur Analyse und Berechnung von reagierenden Blasenströmungen entwickelt und angewendet werden.

Initiiert wurde das neue SPP durch Akteure des ProcessNet Forschungsnetzwerks „Campus Blasensäulen“. Zum Programmausschuss gehören Prof. Dieter Bothe vom Center of Smart Interfaces der TU Darmstadt, Prof. Ullrich Nieken, Leiter des Instituts für Chemische Verfahrenstechnik der Universität Stuttgart und Frau Prof. Herres-Pawlis vom Department für Chemie der Ludwig-Maximilians-Universität München. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt das SPP mit 10 Millionen Euro.