CFD-MRI Reaktionen: Ein kombinierter Mess-Simulationsansatz zur Charakterisierung von reaktiven Strömungen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Mathias Joachim Krause; Professor Dr.-Ing. Jorg Thöming
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517581625

Katalytische Reaktionen haben in der chemischen Technik einen enormen Stellenwert: bis zu 90% aller Prozesse in der Chemietechnik benutzen Katalysatoren, die heterogene Katalyse macht davon rund 80% aus. Durch den hohen Stellenwert in der Wertschpfungskette hat jede Effizienzsteigerung und Kostenreduktion katalysierter Reaktionen einen enormen wirtschaftlichen Effekt. Die genaue Kenntnis der Verteilung von Konzentration, Geschwindigkeit und Temperatur im Inneren eines chemischen Reaktors sind essentiell für ein tiefgehendes Verständnis der Reaktion. Aus ihnen werden Massen- und Wärmetransport, (Neben-)Produktbildung und mögliche Limitierungen bestimmt, wodurch ihnen eine tragende Rolle in der Auslegung chemischer Reaktoren zukommt. Konventionelle Methoden zur Messung von Verteilungen sind meist invasiv und haben im besten Fall nur eine eindimensionale Auflösung. Für CFD-Rechnungen ist eine exakte Kenntnis der Randbedingungen und der Geometrie obligatorisch. Magnetresonanztomographie (MRI) hingegen kann ortsaufgelöst u.A. die Temperatur, Speziesverteilung und lokale Geschwindigkeit messen. Die Methode leidet aber vor allem bei Messungen der Gasphase an einer geringen Auflösung, einem hohen Messrauschenund an langer Messzeit. Die vom Antragsteller Krause entwickelte Methode CFD-MRI basiert auf einer numerischen Nachbehandlung von verrauschten MRI-Geschwindigkeitsmessungen und erzielt so hochwertige Ergebnisse bei einem vergleichsweise niedrigen Messaufwand. Dies konnte sie bereits für verschiedene nicht-reaktive Strömungen in einfachen Strömungsgebieten nachweisen.Ziel des interdisziplinären Projekts CFD-MRI Reaktionen ist, die MRI-Messtechnik und die Methode CFD-MRI so weiterzuentwickeln, dass sie auch auf reaktive Strömungen in komplexen Gebieten anwendbar sind und dort in Kombination neue Erkenntnisse zur Aufklärung von Reaktionen liefern. So wird anhand von MRI-Geschwindigkeits- und Konzentrationsmessungen einer chemischen Reaktion in einem Rohrreaktor mit Schwamm sowohl die Geometrie des Schwamms bestimmt, als auch ein hochaufgelöstes und rauschfreies Bild der Geschwindigkeits- und Konzentrationsverteilung der beteiligten Stoffe gewonnen. Dadurch werden Strömung und chemische Reaktion detailliert und ortsaufgelöst charakterisiert. Dazu sind zunächst MRI-Geschwindigkeitsmessungen einer Flüssigkeits- und einer Gasströmung durch einen Schwamm vorzunehmen und dann mit CFD-MRI eine genauere Geschwindigkeitsverteilung sowie die Geometrie des Schwamms zu bestimmen. Anschließend werden MRI-Konzentrationsmessungen einer heterogen katalysierten Flüssigphasenreaktion im Schwamm durchgeführt und daraus chemische Parameter bestimmt sowie genaue entrauschte ortsaufgelöste Verteilungen simulativ gewonnen. Am Ende des Projekts stehen der Forschungsgemeinschaft neben den methodischen Erkenntnissen auch ein open source Softwaretool zur Verfügung, welches den Weg zur vollständigen Charakterisierung heterogen katakatalysierten Flüssigphasenreaktion ebnet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Irland
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Georg Pesch