Entwicklung eines dynamischen Grenzschichtmodells zur Voraussage der Belagsbildung bei Lösungspolymerisationen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Guido Grundmeier; Professor Dr.-Ing. Ulrich Nieken
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563898309

Lösungspolymerisationen werden häufig halbkontinuierlich in Rührkesselreaktoren durchgeführt. Um eine gleichmäßige Qualität und eine energieeffiziente Produktion durchzuführen, ist eine kontinuierliche Herstellung erstrebenswert. Während eine kontinuierliche Polymerisation bei einigen Produkten gelingt, treten bei anderen Gelablagerungen auf, welche den Reaktor nach kurzer Zeit verblocken. Ein technisch relevantes Beispiel für dieses Verhalten ist die Lösungspolymerisation von N-Vinylpyrrolidon (NVP) zu Poly(vinylpyrrolidon) (PVP). Obwohl in Wasser gelöstes PVP problemlos durch Rohrreaktoren gefördert werden kann, kommt es unter Reaktionsbedingungen nach einigen Stunden zur Gelbildung. Der Onset des Druckanstiegs variiert stark mit den Reaktions- und Strömungsbedingungen, sowie mit der Art und Vorbehandlung der Oberfläche. Eine Vorhersage der Gelbildung beim Scale-Up ist bisher nur eingeschränkt möglich. Ziel des kooperativen Projektes, welches komplementäre experimentelle und theoretische Ansätze der beiden Arbeitsgruppen kombiniert, ist die Entwicklung eines mechanistischen Verständnisses der Belagsbildung in Polymerreaktoren und eine quantitative Beschreibung der Dynamik des Foulings mittels CFD-Rechnungen. Das neue, grundlagenorientierte Modell soll nur unabhängig bestimmte Modellparameter enthalten und damit eine Übertragung auf andere geometrische Bedingungen und veränderte Prozessbedingungen erlauben. Damit wird eine Möglichkeit geschaffen, energieeffizientere, kontinuierliche Prozesse auszulegen und deren Performance vorherzusagen. Für die Entwicklung eines dynamischen Modells der wandnahen Schicht wird der Aufbau der Polymer-Grenzschicht mittels verschiedener mikroskopischer und in-situ spektroelektrochemischer Verfahren unter Reaktions- und reaktionsähnlichen Bedingungen verfolgt. Um die Adsorption der Polymerketten an der flüssig/fest Grenzfläche an Oberflächen mit verschiedenen Eigenschaften untersuchbar zu machen, werden technisch relevante Legierungen sowie Reaktoroberflächen mit ultra-dünnen Beschichtungen mit variierenden Oberflächenenergien modifiziert. Dieses Vorgehen erlaubt die Korrelation der Belagsbildung mit grenzflächenchemischen Prozessen auf makromolekularer Ebene. Zusammen mit einer verbesserten Beschreibung des diffusiven Transportes der Polymere soll eine quantitative Beschreibung der Belagsbildung in Abhängigkeit der Adsorptionsenergie der Polymersegmente abgeleitet und durch Vergleich mit Experimenten in kontinuierlich betriebenen Reaktoren validiert werden. Mikroreaktoren dienen dabei als Demonstrator. Das methodische Vorgehen soll anhand der Lösungspolymerisation von PVP ausgearbeitet werden, die entwickelte Methodik auf andere Stoffsysteme übertragbar sein. Validiert wird das entwickelte Grenzschichtmodell anhand des Systems 1-Vinylimidazol/Polyvinylimidazol.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen