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Forschungsthemen Reaktionstechnik

Power To X
Power-to-X Verfahren

Durch Fluktuationen in der Stromversorgung durch den Einsatz von erneuerbaren Energien haben sich Konzepte wie Power-to-Gas (PTG) und Power-to-Liquid (PTL) als vielversprechende Optionen zur Speicherung von Überschussstrom in der Debatte der Energiewende etabliert. Hierbei wird aus elektrischer Energie Wasserstroff per Elektrolyse gewonnen. Dieser Wasserstoff dient anschließend zusammen mit einer Kohlenstoffquelle als Edukt für die PtX-Verfahren. Bekannte Prozesse dieser Art sind die Methanisierung von CO2  sowie die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS). 

Wir forschen mittels bildgebender Verfahren (NMR) sowie numerischer Simulationen (CFD) an grundlegenden Struktur-Wirkungsbeziehungen dieser Reaktionen und nutzen gewonne Erkenntnisse zur Prozessintensivierung. Generierte Ergebnisse können zudem auf vergleichbare Reaktionen angewendet werden.

CFD Simulationen von Impuls-, Massen- und Wärmetransport in keramischen Schwämmen

Offenzellige Schäume, auch Schwämme genannt, sind durch ihre exzeptionellen Eigenschaften wie geschaffen als monolithischer Katalysatorträger. Durch ihre hohe Porosität, kontinuierliche Feststoffphase, große spezifische Oberfläche und da sie radiale Dispersion erlauben sind offenzellige Schäume sehr gut als Katalysatorträger für stark exotherme Reaktionen geeignet.

Wir nutzen numerische Strömungssimulationen (CFD) sowie Kernspinresonanz (NMR), zur  Vorhersage und Visualisierung von Wärme- und Massentransport sowie Geschwindigkeits-, Temperatur-, und Konzentrationsprofilen. Die Morphologie der Schwämme erhalten wir durch Microcomputertomographie (µCT). Simulationsergebnisse werden mit NMR-Messungen verglichen um so die Qualität des Modells zu validieren. Anschließend kann das Modell zur Untersuchung von Struktureinfluss des Schwammes auf Transportprozesse und Reaktionsleistung benutzt werden. Ziel des Projekts ist es, den Einfluss der strukturellen Eigenschaften der Schwämme auf Transportprozesse und Reaktionsleistung von stark exothermen Gas- und Mehrphasenreaktionen zu untersuchen.

3d Modell und Druckverlust über einen keramischen Schwamm.
Vorgehen
Vorgehen von der keramischen Struktur zur CFD Simulation.
NMR Geschwindigkeitsfeld eines Schwammes
NMR Geschwindigkeitsmessung von keramischen Schwämmen

Verdünnte Gasströmungen

In vielen technischen Anwendungen kommen verdünnte Gasströmungen zum Einsatz. Als verdünnt wird ein Gas bezeichnet, dessen mittlere freie Weglänge in etwa in der Größenordnung seiner Umgebung ist. In einem Rohr bedeutet dies etwa, dass Molekülstöße mit der Wand ebenso wahrscheinlich sind, wie Stöße unter den Molekülen selbst. Im Extremfall geht die Wahrscheinlichkeit für einen Zusammenstoß zweier Gasmoleküle gegen Null.
Das Auftreten solcher verdünnter Gasströmungen ist dabei nicht nur Abhängig von Druck und Temperatur, sondern auch von der Umgebung. So finden sich verdünnte Gase ebenso in den engen Poren und schmalen Kanälen von Katalysatoren, Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) oder Mikrochips, wie auch im fast gasleeren Raum beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre oder im Hochvakuumbereich.
Ein stark verdünntes Gas verhält sich anders, als unter Normalbedingungen. Die überproportional große Wechselwirkung mit der Umgebung, etwa mit einer Porenwand, führt dazu, dass die üblichen Kontinuumsgleichungen ihre Gültigkeit verlieren.

Den Zusammenhang zwischen der mittleren freien Weglänge und einer (charakteristischen) physikalischen Längeneinheit ist allgemein als Knudsenzahl bekannt und ist eine dimensionslose Kennzahl. Der oben beschriebene, spezielle Bewegungszustand von Gasen bei hohen Knudsenzahlen (>1) wird Knudsenströmung genannt. Die Knudsenzahl ist hauptsächlich beeinflusst durch den Druck und die charakteristische Länge. Aus diesem Grund finden sich Systeme mit hohen Knudsenzahlen sowohl bei Bedingungen mit sehr niedrigen Drücken in Zusammenhang mit makroskopischen Objekten, als auch bei Bedingungen mit Umgebungsdruck und sehr kleinen Objekten. Niederdruckbeispiele sind dabei ein Satellit in der Exosphäre oder eine Messkapsel im Bremer Fallturm. Dem gegenüber treten hohe Knudsenzahlen ebenfalls in (porösen) Gastrennmembranen oder in Chromatographiesäulen nahe des Umgebungsdrucks auf. Aus diesem Grund ist es entscheidend, das Verhalten der Gase unter diesen Bedingungen genau zu studieren, um effektivere und leistungsfähigere Materialien zu entwickeln.

Aktualisiert von: Georg Pesch