Erzeugung definierter Suspensionstropfen in einer laminaren Dehnströmung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Eintrag von Partikeln in ein System aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten findet beispielsweise Anwendung in der Herstellung von strukturierten Nanopartikeln, im Bereich der Pflanzenschutzmittel sowie bei Polymerisationsprozessen. In der Mikroverfahrenstechnik ist der Einsatz von Partikeln, beispielsweise als heterogener Katalysator, dagegen noch weniger etabliert, da es zum Verblocken der mikroskaligen Bauteile kommen kann. Der Forschungen zum Paketantrag Modellierung, Simulation und modellgestützte Entwicklung fluider Prozesse mit disperser Phase (PAK 189) bzw. den beiden Teilprojekten D1 („Erzeugung definierter Suspensionstropfen in einer laminaren Dehnströmung“) und C1 („Reaktionstechnische und messtechnische Untersuchung stofftransportlimitierter, heterogen katalysierter zweiphasiger Reaktionen im Kapillar-Mikroreaktor“) tragen zur Aufklärung des Partikeleinflusses auf die Bildung von Tropfen bei und beschreiben eine Anwendung der gewonnen Erkenntnisse in der Mikroverfahrenstechnik, genauer gesagt in einer Flüssig-flüssig-Pfropfenströmung mit suspendierten Feststoffpartikeln in einer der Flüssigphasen. Es wird weiterhin ein Beitrag zur reaktionstechnischen Optimierung des Reaktorkonzeptes der Suspensionskatalyse in einer Flüssig-flüssig-Pfropfenströmung geleistet, welcher sich zum einen aus der Variation des Partikelbenetzungsverhaltens und zum anderen aus konstruktionstechnischen Maßnahmen zur Resuspendierung von sedimentierten Partikeln in der Suspensionspfropfenströmung zusammensetzt. Die Erkenntnisgewinne aus den beiden Teilprojekten lassen sich wie folgt zusammenfassen: Der Eintrag von Partikeln in die disperse Phase führt zum einen zu wesentlich unregelmäßigerem Zerfall von sich ausbildenden Suspensionsfäden in der zweiten, nichtmischbaren flüssigen Phase. Zum anderen wurde durch die Erhöhung der Viskosität durch die Partikel eine Verschiebung des Übergangs zwischen Abtropfen und Fadenzerfall hin zu niedrigeren Geschwindigkeiten der dispersen Phase (Suspension) beobachtet. Das Prinzip des Suspensionsfadenzerfalls lässt sich dennoch anwenden, um eine Flüssig-flüssig-Pfropfenströmung mit suspendierten Feststoff in einer der beiden Phasen in einem Mikrokanal zu erzeugen und reduziert dabei die Verstopfungsgefahr, die in den kleinen Durchmessern besteht. Der Sedimentation der Partikel, sobald sie in den Pfropfen vorliegen, kann mit unterschiedlichen Maßnahmen begegnet werden, wobei sich der periodisch wechselnde Wandbenetzungswinkel (Einsatz verschiedener Kanalmaterialien) als am effektivsten herausgestellt hat. Stofftransportuntersuchungen mit einem reaktiven System haben zudem ergeben, dass, solange keine Stofftransportlimitierungen auftreten, die Platzierung des Katalysators in der kontinuierlichen oder dispersen Phase keinen Einfluss auf die Reaktorleistung eines Mikroreaktors bei Flüssig-flüssig-Pfropfenströmung hat.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Behavior of elongated liquid jets in viscous liquid-liquid-systems, Chemical Engineering and Technology 34(12) 2099-2104, 2011
M. Sellerberg, P. Walzel
- Solid particle handling in microreaction technology – practical challenges and application of microfluid segments for particle based processes, in Micro Segmented Flow; Springer- Verlag; Berlin Heidelberg, 103-148, 2013
F. Scheiff, D. W. Agar
- Liquid–Solid Mass Transfer for Microchannel Suspension Catalysis in Gas–Liquid and Liquid–Liquid Segmented Flow. Ind. Eng. Chem. Res., 2015, 54 (17), pp 4699–4708
A. Liedtke, F. Scheiff, F. Bornette, R. Philippe, D. W. Agar, C. de Bellefon
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ie504523y)
