Quantifizierung der Wärme- und Stofftransportmechanismen an Blasen und Tropfen in überkritischen Fluiden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Bräuer
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 182018169

Im Rahmen dieses Fortsetzungsantrags sollen die Wärme- und Stofftransportmechanismen im binären System aus organischem Lösemittel und überkritischem CO2 sowohl unterhalb als auch oberhalb des kritischen Mischungsdrucks untersucht werden. Durch eine neue Versuchsanordnung sollen die Diffusionskoeffizienten D auch für die Systeme Ethanol/CO2 und Aceton/CO2 erfasst werden, für welche im zurückliegenden Förderzeitraum keine Stofftransportgrößen quantifiziert werden konnten. In einer vorhandenen optisch zugänglichen Hochdrucksichtzelle werden das organische Lösemittel und das CO2 unterhalb des kritischen Mischungsdrucks vorgelegt, so dass sich zwei Phasen, eine flüssige und eine gasförmige Phase, ausbilden, die anfänglich im thermodynamischen Ungleichgewicht sind. Um das thermodynamische Gleichgewicht zwischen beiden Phasen zu erreichen, diffundieren CO2 aus der gasförmigen Phase nach unten in die flüssige Phase und das organische Lösemittel aus der flüssigen Phase nach oben in die gasförmige Phase, so lange, bis die flüssige Phase mit CO2 und die gasförmige Phase mit organischem Lösemittel gesättigt ist. Währenddessen werden mittels der eindimensionalen Ramanmesstechnik vertikale Profile (also im rechten Winkel zur Phasengrenze) der partiellen Dichten der Komponenten (Solvent und CO2) in der flüssigen Phase und in der Gasphase entlang der Diffusionsrichtung als Funktion der Zeit ermittelt. Die Profile der partiellen Dichten werden aus den Ramanspektren über eine zuvor erfolgte Kalibrierung bei genau definierten Bedingungen ermittelt. Über das zweite Ficksche Gesetz können dann die Diffusionskoeffizienten von CO2 und Solvent in der flüssigen und/oder gasförmigen Phase gleichzeitig aus der zeitlichen Änderung der vertikalen Profile der partiellen Dichten der Komponenten berechnet werden. Da für das System Ethanol/CO2 neben der partiellen Dichteprofile auch Temperaturprofile ermittelt werden können, können nun die in der ersten Förderphase abgeschätzten Effekte der Verdampfung und der Sorption auf die Temperatur experimentell direkt bestimmt werden. Bei der Analyse von Wärme- und Stofftransportvorgängen oberhalb des kritischen Mischungsdrucks wird ein anfänglich zweiphasiges und sich im thermodynamischen Ungleichgewicht befindendes System durch eine Druckerhöhung über den kritischen Mischungsdruck ins einphasige System überführt. Anschließend werden genau wie bei den Betriebsbedingungen unterhalb des kritischen Mischungsdrucks die Diffusionskoeffizienten nach dem zweiten Fickschen Gesetz aus der zeitlichen Änderung der partiellen Dichteprofile ermittelt. Für das System Ethanol/CO2 können ebenfalls Temperaturprofile und deren zeitliche Änderung gemessen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen