Intelligentes Katalysatorträgerkonzept mit additiv gefertigten Strukturen aus einer Formgedächtnislegierung zur Optimierung des Wandwärmeübergangs in Rohrreaktoren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hannsjörg Freund; Professorin Dr.-Ing. Carolin Körner
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432515505

Zellulare Strukturen stellen aufgrund ihres sehr guten Wärmetransportverhaltens eine vielversprechende Alternative zu klassischen schüttungsgefüllten Festbettreaktoren dar. Eine wesentliche Herausforderung beim Einsatz von zellularen Strukturen als Katalysatorträger in Rohrreaktoren ist die häufig nicht ausreichende Wandanbindung und der damit verbundene schlechte Wärmeübergang zwischen der Struktur und der Wand. Insbesondere bei stark exo- oder endothermen Reaktionen führt dieser Wärmetransportwiderstand zu unerwünschten Temperaturgradienten. Daher ist Hauptziel des Forschungsvorhabens, ein wissenschaftlich basiertes Verständnis für Art und Struktur der Wandanbindung zu entwickeln, um für unterschiedliche Systeme Vorhersagen für die Gestaltung einer optimalen Wandanbindung zu ermöglichen. Als besonders geeignetes sowie variabel gestaltbares und innovatives Modellsystem sollen auxetische POCS (periodic open cellular structures) zum Einsatz kommen, die mittels additiver Fertigung (Selektives Elektronenstrahlschmelzen, SEBM) aus einer Formgedächtnislegierung (NiTi, Nitinol) gefertigt werden sollen.Die Herstellung der POCS mittels additiver Fertigung (SEBM-Verfahren) bietet eine große Gestaltungsfreiheit, sodass dem Design der Struktur nahezu keine Limitierungen gesetzt sind. Um eine gute Wandanbindung für austauschbare Katalysatorträger zu gewährleisten, wird ein System vorgeschlagen, das sich den auxetischen Effekt zu Nutze macht. Hierbei wird durch axiale Kompression der Durchmesser der Struktur verringert. Der auxetische Effekt alleine würde jedoch eine dauerhaft anliegende Kraft zur Kompression der Struktur erfordern. Durch die Kombination mit dem Einweg-Memory-Effekt einer Formgedächtnislegierung ist dies nicht nötig. Stattdessen wird die Struktur durch eine einmalige Kaltverformung temporär komprimiert und im Reaktor in situ durch eine Temperaturbehandlung in den Ausgangszustand zurückversetzt. Auf diesem Weg kann auf elegante Weise eine Presspassung von Trägerstruktur und Reaktorwand gewährleistet werden.Die Verarbeitung von Nitinol mittels SEBM ist in der Literatur noch nicht ausreichend dokumentiert und stellt ein hochinteressantes Forschungsthema dar. Die Kombination des Wissens über POCS und der Literatur über die additive Fertigung mit Formgedächtnislegierungen bietet einen vielversprechenden Ansatz für die Lösung der Wärmeübergangsproblematik in Rohrreaktoren. Simulationsmethoden zu mechanischen und reaktionstechnischen Fragestellungen sollen ein Grundgerüst für die fundierte Entwicklung von verbesserten Katalysatorträgern bilden. In mehreren Optimierungszyklen wird das vielversprechendste Design ausgewählt. Schließlich soll anhand einer technisch relevanten Reaktion die Wirksamkeit und Effizienz des neuen Konzepts demonstriert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen