Komplexe Gas-Flüssig-Reaktionen mit Stofftransport in Wendelkapillaren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Norbert Kockmann; Professor Dr. Stefan Turek
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401436608

Taylor-Blasenströmung in Kapillaren tritt häufig in der chemischen Reaktionstechnik auf und wird wegen der komplexen, aber gut reproduzierbaren Fluiddynamik zur Untersuchung des Stofftransports ohne und mit chemischen Reaktionen genutzt. In Helix-förmigen Kapillaren wird die Taylor-Strömung durch die Dean-Strömung überlagert und verbessert die radiale Vermischung. Allerdings sind dazu nur wenig Arbeiten bekannt und es fehlt das Verständnis des lokalen Stofftransports mit Folge- und Parallelreaktionen. Zur Untersuchung dieser Vorgänge wird eine Versuchsanlage aus perfluoriertem Ethylen-Propylen-Kapillaren (FEP mit gleichem Brechungsindex wie Wasser oder Acetonitril) mit innerem Durchmesser von 0,5 bis 6 mm aufgebaut. Darin werden die Oxidation von Leuko-Indigocarmin mit zweifachem Farbwechsel als Folgereaktion und die Glucose-Oxidase mit Farbwechsel parallel zur Sulfit-Oxidation untersucht. Für diese Systeme werden die Diffusionskoeffizienten und kinetischen Parameter in einer gesonderten Versuchsanlage bestimmt. Die Blasenerzeugung an einer Nadel in der Kapillare sowie die Blasenströmung in einer geraden, vertikalen Kapillare mit bis zu 6 mm Innendurchmesser werden als Referenzsystem optisch beobachtet. In der Wendelkapillare im Wasserbad werden die Taylor-Dean-Strömung mit Vermischung, Stofftransport und komplexe chemische Reaktionen untersucht. Parallel dazu werden die Fluiddynamik mit Stofftransport und komplexen chemischen Reaktionen mit Hilfe der FeatFlow CFD Software berechnet und mit den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen abgeglichen und validiert. Damit wird das Taylor-Dean-Strömungsprofil inklusiver chemischer Reaktionen auf unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen eingehend charakterisiert. Zusätzliche 90°-Umlenkungen zwischen einzelnen Wendeln (Coiled Flow Inverter CFI) verbessern die Vermischung durch Verlagern der Taylor-Dean-Wirbel. Dimensionslose Kennzahlen, der Segregationsindex und die Exponiertheit beim Vermischen werden bestimmt und erlauben die Übertragbarkeit der Ergebnisse. Die numerische Simulation der komplexen Taylor-Dean- Strömung erfordert eine komplette 3D-Simulation der Strömung und des Konzentrationsfeldes ohne und mit chemischen Reaktionen. Die Netzgenerierung und die numerische Behandlung der Grenzfläche stellen hohe Anforderungen an die numerischen Tools. Die Einstellung der Kinetik paralleler und konsekutiver Reaktionen erlaubt die Bestimmung der lokalen Selektivität zum Zielmolekül, welches im Experiment einen Farbumschlag der Lösung bewirkt. Als assoziierter Partner im SPP werden dort verfügbare Mess- und Stoffsysteme im CFI untersucht. Im Laufe des Projekts stehen aus einem Großgeräteantrag ein Röntgentomograf, ein Raman-Spektrometer sowie eine Hochgeschwindigkeitskamera mit Makro zur Verfügung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen