SPP 1740:  Einfluss lokaler Transportprozesse auf chemische Reaktionen in Blasenströmungen

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik ; Chemie ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237189010

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Umwandlung von Stoffen mit hoher Ausbeute und Selektivität ist eine der vorrangigsten Aufgaben der chemischen Verfahrenstechnik. Für viele Bulkchemikalien müssen hierbei gasförmige Stoffe mit einer kontinuierlichen flüssigen Phase vermischt und zur Reaktion gebracht werden (z.B. Oxidationen, Hydrierungen, Chlorierungen). Durch ein tieferes Verständnis des Zusammenspiels zwischen den Zeitskalen des Stofftransports, der Fluiddynamik und der chemischen Reaktion kann es gelingen, systematisch Einfluss auf die Ausbeute und die Selektivität konkurrierender chemischer Reaktionen zu nehmen. Hierdurch kann ein wesentlicher Beitrag zur effizienteren Nutzung von Ressourcen und zur Vermeidung von Emissionen geleistet werden, wodurch das Schwerpunktprogramm 1740 den Weg für eine deutlich nachhaltigere Prozessführung ebnet. Ein maßgebliches Ziel des Schwerpunktprogramms war es daher, neue experimentelle und numerische Methoden zur Aufklärung von Reaktionsnetzwerken und lokalen Transportprozessen zu entwickeln, wofür eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Verfahrenstechnik und Chemie von besonders großer Bedeutung ist. Insbesondere diese interdisziplinäre Zusammenarbeit hat sich im Schwerpunktprogramm als sehr fruchtbar erwiesen und zu einem nachhaltigen Erfolg geführt. So konnte durch die intensive Zusammenarbeit im Schwerpunktprogramm u.a. nachgewiesen werden, dass durch eine gezielte Manipulation der Umströmung von aufsteigenden Gasblasen eine Erhöhung der Selektivität chemischer Reaktionen erreicht werden kann. Das abschließende Ziel einer Übertragung der Erkenntnisse auf frei aufsteigende Blasenschwärme wurde zwar in einem Projekt ansatzweise erreicht, erfordert aber weitere Forschungsarbeiten zur endgültigen Bestätigung. Alle hierfür erforderlichen „enabling technologies“ liegen nun gut dokumentiert vor und es wurden bereits mehrere Einzel- und Verbundanträge bei der DFG und ANR (Weave Lead Agency-Verfahren) eingereicht, um diese auf weitere wissenschaftliche Fragestellungen zu übertragen. Zudem ist eine Forschungsgruppe in Vorbereitung, um die im SPP gewonnenen Erkenntnisse und Werkzeuge weiter zu nutzen und auf noch komplexere Reaktionen anzuwenden. Somit wurden die im Einrichtungsantrag formulierten Forschungsziele in vollem Umfang erreicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Decay kinetics of sensitive bioinorganic species in a SuperFocus mixer at ambient conditions. Reaction Chemistry & Engineering, 1(5), 485-493.
  Schurr, Daniela; Strassl, Florian; Liebhäuser, Patricia; Rinke, Günter; Dittmeyer, Roland & Herres-Pawlis, Sonja
  
• Influence of Bubble Bouncing on Mass Transfer and Chemical Reaction. Chemical Engineering & Technology, 39(10), 1955-1962.
  Timmermann, Jens; Hoffmann, Marko & Schlüter, Michael
  
• Local Analysis of CO2 Chemisorption in a Rectangular Bubble Column Using a Multiphase Euler-Euler CFD Code. Journal of Chemical Engineering & Process Technology, 7(3).
  Hlawitschka, M. W.; Drefenstedt, S. & Bart, H.-J.
  
• Modeling of mass-transfer in bubbly flows encompassing different mechanisms. Chemical Engineering Science, 151(c(2016, 9)), 139-143.
  Rzehak, Roland
  
• A Novel Experimental Setup for Kinetic Studies of Toluene Oxidation in the Homogeneous Liquid Phase. Chemical Engineering & Technology, 40(8), 1445-1452.
  Gast, Sebastian; Matthies, Jörn H.; Tuttlies, Ute S. & Nieken, Ulrich
  
• Advanced subgrid-scale modeling for convection-dominated species transport at fluid interfaces with application to mass transfer from rising bubbles. Journal of Computational Physics, 347(c(2017, 10)), 261-289.
  Weiner, Andre & Bothe, Dieter
  
• Application of a Wire‐Mesh Sensor for the Study of Chemical Species Conversion in a Bubble Column. Chemical Engineering & Technology, 40(8), 1425-1433.
  Kipping, Ragna; Kryk, Holger; Schleicher, Eckhard; Gustke, Matthias & Hampel, Uwe
  
• Characterizing fluid dynamics in a bubble column aimed for the determination of reactive mass transfer. Heat and Mass Transfer, 54(2), 453-461.
  Kováts, Péter; Thévenin, Dominique & Zähringer, Katharina
  
• Dioxygen Activation: Potential Future Technical Applications in Reactive Bubbly Flows. Chemical Engineering & Technology, 40(8), 1522-1526.
  Miska, Andreas; Norbury, Jonah; Lerch, Markus & Schindler, Siegfried
  
• Emulation of Bubble‐Induced Turbulence Using Randomly Moving Particles in a Grid Structure. Chemical Engineering & Technology, 40(8), 1502-1511.
  Haase, Katharina; Kück, Ulf D.; Thöming, Jörg & Kähler, Christian J.
  
• Experimental Assessment of an Innovative Device to Mimic Bubble Swarm Turbulence. Chemical Engineering & Technology, 40(8), 1466-1474.
  Mießner, Ulrich; Kück, Ulf D.; Haase, Katharina; Kähler, Christian J.; Fritsching, Udo & Thöming, Jorg
  
• Explicit Radial‐Basis‐Function‐Based Finite‐Difference Method for Interfacial Mass‐Transfer Problems. Chemical Engineering & Technology, 40(8), 1385-1390.
  Falcone, Manuel & Marschall, Holger
  
• Mass Transfer in Reactive Bubbly Flows – A Single‐Bubble Study. Chemical Engineering & Technology, 40(8), 1391-1399.
  Merker, David; Böhm, Lutz; Oßberger, Martin; Klüfers, Peter & Kraume, Matthias
  
• Path instabilities of light particles rising in a liquid with background rotation. Journal of Fluids and Structures, 70(c(2017, 4)), 403-416.
  Ostmann, S.; Chaves, H. & Brücker, C.
  
• Reactive absorption of CO 2 in NaOH: Detailed study of enhancement factor models. Chemical Engineering Science, 166(c(2017, 7)), 193-209.
  Krauβ, Manuel & Rzehak, Roland
  
• Reactive Liquid‐Flow Simulation of Micromixers Based on Grid Deformation Techniques. Chemical Engineering & Technology, 40(8), 1408-1417.
  Mierka, Otto; Munir, Maimoona; Spille, Claas; Timmermann, Jens; Schlüter, Michael & Turek, Stefan
  
• Simulation and experimental validation of reactive bubble column reactors. Chemical Engineering Science, 170(c(2017, 10)), 306-319.
  Hlawitschka, M.W.; Kováts, P.; Zähringer, K. & Bart, H.-J.
  
• Simultaneous in situ characterisation of bubble dynamics and a spatially resolved concentration profile: a combined Mach–Zehnder holography and confocal Raman-spectroscopy sensor system. Journal of Sensors and Sensor Systems, 6(1), 223-236.
  Guhathakurta, Jajnabalkya; Schurr, Daniela; Rinke, Günter; Dittmeyer, Roland & Simon, Sven
  
• Switchable Reactions for the Investigation of Reactive Mass Transfer Processes. Chemical Engineering & Technology, 40(8), 1418-1424.
  Tastan, Ümit; Guba, Fabian & Ziegenbalg, Dirk
  
• 3D direct numerical simulations of reactive mass transfer from deformable single bubbles: An analysis of mass transfer coefficients and reaction selectivities. Chemical Engineering Science, 177(c(2018, 2)), 523-536.
  Falcone, Manuel; Bothe, Dieter & Marschall, Holger
  
• From model compounds to applications: Kinetic studies on the activation of dioxygen using an iron complex in a SuperFocus mixer. Chemical Engineering Science, 190(c(2018, 11)), 459-465.
  Miska, Andreas; Schurr, Daniela; Rinke, Günter; Dittmeyer, Roland & Schindler, Siegfried
  
• {FeNO}7‐Type Halogenido Nitrosyl Ferrates: Syntheses, Bonding, and Photoinduced Linkage Isomerism. Chemistry – A European Journal, 25(5), 1304-1325.
  In‐Iam, Areenan; Wolf, Markus; Wilfer, Claudia; Schaniel, Dominik; Woike, Theo & Klüfers, Peter
  
• Data‐Driven Subgrid‐Scale Modeling for Convection‐Dominated Concentration Boundary Layers. Chemical Engineering & Technology, 42(7), 1349-1356.
  Weiner, Andre; Hillenbrand, Dennis; Marschall, Holger & Bothe, Dieter
  
• Arduino‐based slider setup for gas–liquid mass transfer investigations: Experiments and CFD simulations. AIChE Journal, 66(6).
  Krieger, Waldemar; Bayraktar, Evren; Mierka, Otto; Kaiser, Lutz; Dinter, Robin; Hennekes, Julian; Turek, Stefan & Kockmann, Norbert
  
• Bubble motion and reaction in different viscous liquids. Experimental and Computational Multiphase Flow, 4(1), 26-38.
  Hlawitschka, Mark W.; Kováts, P.; Dönmez, B.; Zähringer, K. & Bart, H.-J.
  
• Exceptional Substrate Diversity in Oxygenation Reactions Catalyzed by a Bis(μ‐oxo) Copper Complex. Chemistry – A European Journal, 26(34), 7556-7562.
  Paul, Melanie; Teubner, Melissa; Grimm‐Lebsanft, Benjamin; Golchert, Christiane; Meiners, Yannick; Senft, Laura; Keisers, Kristina; Liebhäuser, Patricia; Rösener, Thomas; Biebl, Florian; Buchenau, Sören; Naumova, Maria; Murzin, Vadim; Krug, Roxanne; Hoffmann, Alexander; Pietruszka, Jörg; Ivanović‐Burmazović, Ivana; Rübhausen, Michael & Herres‐Pawlis, Sonja
  
• Kinetic study of the toluene oxidation in homogeneous liquid phase. Chemical Engineering Science, 217(c(2020, 5)), 115500.
  Gast, Sebastian; Tuttlies, Ute S. & Nieken, Ulrich
  
• Advanced analysis of bubble columns: Comparison of Euler/Lagrange simulations and experiments under CO2 chemisorption conditions. Chemical Engineering Research and Design, 170(c(2021, 6)), 389-405.
  Taborda, Manuel A.; Kipping, Ragna; Hampel, Uwe & Sommerfeld, Martin
  
• Bent and Linear {CoNO}8 Entities: Structure and Bonding in a Prototypic Class of Nitrosyls. Inorganic Chemistry, 60(21), 15980-15996.
  Popp, Jens; Riggenmann, Tobias; Schröder, Daniel; Ampßler, Torsten; Salvador, Pedro & Klüfers, Peter
  
• Digital Image Processing of Gas‐Liquid Reactions in Coiled Capillaries. Chemie Ingenieur Technik, 93(5), 825-829.
  Grühn, Julia; Vogel, Marius & Kockmann, Norbert
  
• LES-Euler/Lagrange modelling of bubble columns considering mass transfer, chemical reactions and effects of bubble dynamics. Chemical Engineering Science, 229(c(2021, 1)), 116121.
  Taborda, Manuel A.; Sommerfeld, Martin & Muniz, Marcelo
  
• Magnetic Resonance Imaging for Non‐invasive Study of Hydrodynamics Inside Gas‐Liquid Taylor Flows. Chemical Engineering & Technology, 44(3), 465-476.
  Kemper, Philip; Küstermann, Ekkehard; Dreher, Wolfgang; Helmers, Thorben; Mießner, Ulrich; Besser, Benjamin & Thöming, Jorg
  
• Mass Transfer Around Gas Bubbles in Reacting Liquids. Fluid Mechanics and Its Applications (2021), 231-265. Springer International Publishing.
  Merker, David; Böhm, Lutz & Kraume, Matthias
  
• Numerical simulation and benchmarking of drops and bubbles. Handbook of Numerical Analysis (2021), 419-465. Elsevier.
  Turek, Stefan & Mierka, Otto
  
• Photochlorination of toluene – the thin line between intensification and selectivity. Part 1: intensification and effect of operation conditions. Reaction Chemistry & Engineering, 6(1), 82-89.
  Taştan, Ümit & Ziegenbalg, Dirk
  
• Room temperature stable multitalent: highly reactive and versatile copper guanidine complexes in oxygenation reactions. JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry, 26(2-3), 249-263.
  Paul, Melanie; Hoffmann, Alexander & Herres-Pawlis, Sonja
  
• The flow topology transition of liquid–liquid Taylor flows in square microchannels. Experiments in Fluids, 63(1).
  Helmers, Thorben; Kemper, Philip; Thöming, Jorg & Mießner, Ulrich
  
• On Inter-bubble distances and bubble clustering in bubbly Flows: An experimental study. Chemical Engineering Journal, 431(c(2022, 3)), 133486.
  Kipping, Ragna; Wagner, Michael & Hampel, Uwe
  
• The influence of fluid dynamics on the selectivity of fast gas–liquid reactions in methanol. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 180(c(2022, 10)), 108650.
  Kexel, F.; v.Kameke, A.; Hoffmann, M. & Schlüter, M.