Photon Utilization Ratio of Microstructured Photoreactors
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurden Methoden zur Bestimmung der (externen) photonischen Effizienz von Photoreaktoren entwickelt und auf Modellreaktoren angewendet. Hierzu wurden Arbeitsprotokolle für die aktinometrische Vermessung etabliert und eine vollautomatische Radiometrie-Vermessungsstation entwickelt, gefertigt, programmiert und in Betrieb genommen. Die beiden Methoden konnten erfolgreich gegeneinander validiert werden und können damit als komplementäre Messmethoden eingesetzt werden. Das vorgestellte Vorgehen zur Messung und Optimierung des Wirkungsgrads kann auf beliebige neu entworfene Photoreaktoren übertragen werden. Die Ergebnisse der Vermessung verschiedener konkreter Photoreaktorkonzepte kann in folgenden Punkten zusammengefasst werden: • Mit dem vorgestellten Ablaufschemas zur aktinometrischen Messung kann prinzipiell jeder Reaktor im Labormaßstab vermessen werden, sofern eine geeignete Parameterwahl entsprechend des Ablaufschemas sichergestellt wird. • Bei der mehrschichtigen Anordnung von Kapillaren besitzt die am dichtesten gepackte Variante auch die höchste externen photonische Effizienz und ist somit zu bevorzugen. • Das Hinzufügen von weiteren Kapillarschichten verhält sich effektiv wie eine Erweiterung der Schichtdicke um den Durchmesser der jeweiligen Kapillaren. • Durch die radiometrische Vermessung mit einem eigens dafür entwickelten Messinstrument kann das Strahlungsfeld dreidimensional erfasst werden. Die Analyse der Messungen kann örtlich aufgelöst Aufschluss über Einbußen beim Wirkungsgrad photochemischer Reaktoren geben. • Die experimentell bestimmten Trends konnten anhand von einfachen 2D-Raytracing-Simulationen bestätigt werden. Modellgestützt wurden die generischen Potentiale von idealen Reaktoren basierend auf der verwendeten Lichtquelle bewertet. Die Ergebnisse unterstreichen, dass mikrostrukturierte Reaktoren großes Potential haben und höhere AVRPA ermöglichen als konventionelle Reaktoren. Zudem belegen die Rechnungen, dass der Einsatz monochromatischer Lichtquellen sowohl bei der Leistungsfähigkeit der Photoreaktoren als auch den Kosten für die Erzeugung von Photonen gegenüber konventionellen Lichtquellen wie Quecksilberdampflampen zu bevorzugen ist. Voraussetzung ist die Verfügbarkeit von LEDs im notwendigen Wellenlängenbereich. Weiterhin eröffnen LEDs einen neuen Freiheitsgrad für das Design von Photoreaktoren. Die Ergebnisse und Werkzeuge liefern somit Hilfestellungen beim Entwurf zukünftiger photochemischer Reaktoren und Anlagen, sowohl im Labor- als auch im industriellen Maßstab.
Publications
- Light Sources for Photochemical Processes - Estimation of Technological Potentials, Chemie Ingenieur Technik, 2017, 89, 1159
M. Sender, D. Ziegenbalg
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201600191) - Experimental Determination of Photon Fluxes in Multilayer Capillary Photoreactors, ChemPhotoChem, 2018, 2, 913
B. Wriedt, D. Kowalczyk, D. Ziegenbalg
(See online at https://doi.org/10.1002/cptc.201800106) - Common pitfalls in chemical actinometry, Journal of Flow Chemistry, 2020, 10, 295
B. Wriedt, D. Ziegenbalg
(See online at https://doi.org/10.1007/s41981-019-00072-7)
