FOR 583: Solid Sponges - Application of Monolithic Network Structures in Process Engineering
Materials Science and Engineering
Final Report Abstract
Die Forschergruppe hat es sich zum Ziel gesetzt, materialwissenschaftliche und verfahrenstechnische Grundlagenforschung an festen Schwämmen zu verbinden mit der Untersuchung ausgewählter, neuer Anwendungsbeispiele, um die Potentiale dieser Materialien in der Verfahrenstechnik zu erfassen. Die untersuchten Schwämme aus diversen Keramiken sowie aus Metallen und Glas mit Porendichten zwischen 8 und 45 ppi (pores per inch) und Porositäten zwischen 0,75 und 0,95 deckten die gesamte Palette der derzeit zugänglichen Replika-Schwammtypen ab. Mit vielfältigen Charakterisierungsmethoden hat die Forschergruppe eine breite Datenbasis für die Morphologie dieser regellosen Netzstrukturen geschaffen und klare Empfehlungen erarbeitet für Strukturparameter und -modelle, die in empirischen Transportkorrelationen und Simulationsrechnungen Verwendung finden. Für die Stoff-, Wärme- und Impulsübertragung wurden Modelle entwickelt, die generell für alle Replika-Schwämme brauchbar sind. Es wurde demonstriert, dass bei einphasig durchströmten Schwämmen die Lévêque-Analogie anwendbar ist, so dass Stoff- und Wärmeübertragungsparameter aus dem experimentell einfach messbaren Druckverlust berechnet werden können. Für Hochtemperatur-Anwendungen wurden die Strahlungseigenschaften von Schwämmen charakterisiert. Zudem wurden Fluiddynamik und Stoffübertragung bei mehrphasiger Durchströmung untersucht. Die untersuchten verfahrenstechnischen Anwendungen lagen in den Bereichen Verbrennungstechnik, thermische Verfahrenstechnik, katalytische Reaktionstechnik und Bioreaktionstechnik. Wo immer möglich und sinnvoll, wurden bei den Untersuchungen die Leistungsmerkmale von Schwammpackungen mit jenen von anderen Einbauten (z.B. Schüttungen, strukturierte Packungen) verglichen und bewertet. Diese Studien waren verbunden mit Untersuchungen zu Materialeigenschaften und Belastungsgrenzen und ggf. mit Entwicklungsarbeiten zur Funktionalisierung und Beschichtung von Schwämmen mit Katalysatoren. Bei der Modellierung der Prozesse wurden die Transportkorrelationen für Schwämme angewandt und ihre Belastbarkeit überprüft. Schwämme weisen sehr gute Wärmetransporteigenschaften und einen geringen Druckverlust auf. Vielversprechende Einsatzgebiete liegen daher in der Reaktionstechnik, wenn starke Wärmetönungen und/oder hohe Fluiddurchsätze zu handhaben sind. In isotropen Festbett-Reaktoren steigern Schwammpackungen, die z.B. als Katalysatorträger dienen, die Wärmeübertragung zwischen Reaktorinnerem und Reaktorwand und ermöglichen so eine viel bessere Temperaturkontrolle. In der Verbrennungstechnik spielt zudem die Intensivierung des Wärmetransports durch Dispersion und Wärmerückführung für die Flammenstabilisierung und für die Senkung der Schadstoffemissionen eine große Rolle. Durch die eigene Entwicklung von neuartigen transparenten Schwammpackungen haben Teilnehmer der Forschergruppe auch die Bioreaktionstechnik als ein Einsatzgebiet erschlossen. In Photo-Bioreaktoren ermöglichen es lichtleitende Schwämme, das auftreffende Licht auf eine größere Oberfläche zu verteilen und so die Biomassekonzentration zu steigern. Dagegen weisen Schwammpackungen als Kolonneneinbauten in der Trenntechnik keine Vorteile auf. Die Flutungsgrenze liegt bei relativ niedrigen Gasdurchsätzen und schließt Gegenstrom-Anwendungen bei mehrphasiger Durchströmung praktisch aus.
