Analyse der Rußfilterregeneration durch kombinierte numerische und experimentelle Untersuchungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Nieken
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446381321

In diesem Projekt wollen wir die Morphologieentwicklung eines porösen Festkörpers aufgrund von chemischen Reaktionen zwischen einer festen und einer durchströmenden Gasphase vorhersagen. Die Oxidation von Ruß durch verdünnten Sauerstoff und NO2 beim Durchtritt durch eine poröse Rußschicht soll als Beispiel mit praktischer Relevanz dienen. Es ist bekannt, dass die Gesamtoxidationsrate während der Rußfilterregeneration eine starke Funktion der Zeit ist, auch unter isothermen Bedingungen. Durch die Kombination von experimentellen Untersuchungen und detaillierten numerischen Simulationen wird versucht zu zeigen, ob (und in welchem Ausmaß) die Änderung der Gesamtreaktionsrate primär auf morphologische Veränderungen des Rußes zurückzuführen ist. Das Projekt zielt daher darauf ab, die Kinetik auf den primären Rußpartikeln von morphologischen Veränderungen zu trennen, die die zugängliche Oberfläche in der Rußstruktur beeinflussen.Im Rahmen des Projektes wird ein spezieller Reaktor gebaut, der es erlaubt, eine Rußschicht schrittweise unter isothermen Bedingungen zu oxidieren. Aus der Analyse der Abgaskonzentrationen kann die integrale Rußumwandlungsrate ermittelt werden. Zu diskreten Zeitpunkten wird die Oxidation unterbrochen und die gesamte BET-Oberfläche der teiloxidierten Rußschicht ohne Demontage der Probe gemessen. So können gleichzeitig die effektiven Reaktionsgeschwindigkeiten und die Veränderungen der Gesamtoberfläche ermittelt werden.Detaillierte Informationen über die poröse Rußstruktur sind durch Bilder mit dem Focused Ion Beam - Scanning Electron Microscope (FIB-SEM) auswertbar. Dies ermöglicht die Rekonstruktion des porösen Mediums im mikroskopischen Maßstab mit hoher Auflösung und bietet erste Voraussetzungen für direkte numerische Simulationen.Ein detailliertes 3D-Lattice-Boltzmann (LB)-Modell wird entwickelt, um die Änderung der Rußmorphologie während der Rußoxidation zu simulieren. Während der Transport eines Mehrkomponenten-Gasgemisches innerhalb der Poren mit Hilfe der diskreten Form der kinetischen Boltzmann-Gleichung simuliert wird, wird die heterogene Rußmorphologieänderung während der Rußoxidation als neue Randbedingung modelliert. Die LB-Methode kann komplexe Geometrien effizient handhaben und ist daher gut geeignet, den Feststoff-Gas-Phasenübergang zu modellieren.Die effektive Oxidationsraten können berechnet und mit experimentellen Werten verglichen werden. Darüber hinaus können FIB-SEM-Bilder, die von Rußproben nach der teilweisen Oxidation gewonnen wurden, mit Simulationsergebnissen verglichen werden.Sobald ein detailliertes Modell zur Verfügung steht, dient dieses als Grundlage für die Entwicklung eines erweiterten anwendungsorientierten Modells. Zur Ableitung anisotroper makroskopischer Transportparameter wird die asymptotische Homogenisierung verwendet. Das abgeleitete makroskopische Modell umfasst die klassischen Massen- und Energiebilanzen sowie Bilanzgleichungen für charakteristische Struktureigenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Mitverantwortlich(e): Dr.-Ing. Ute Susanne Tuttlies
• Kooperationspartner: Professor Mostafa Safdari Shadloo, Ph.D.