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SPH-Simulation des Gaseintrags mit überlagerter Reaktion in einem mikrostrukturierten Membranreaktor

SPH-Simulation des Gaseintrags mit überlagerter Reaktion in einem mikrostrukturierten Membranreaktor
Stellenausschreibung: Links:
Stellenart:

Bachelor-/Masterarbeit

Institut:

IMVT

Eintrittstermin:

Ab sofort

Kontaktperson:

Deschner, Benedikt

Hintergrund und Motivation
Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ein umweltfreundliches Oxidationsmittel mit Zukunftspotential: Es wird geschätzt, dass die gegenwärtige Jahresproduktion von drei Megatonnen innerhalb der nächsten fünf Jahre auf mehr als fünf Megatonnen weiter ansteigen wird. Der Standardprozess für die industrielle H2O2-Produktion ist das Anthrachinonverfahren. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch aufgrund der vielen Prozessstufen und der begrenzten Wiederverwendbarkeit des organischen Anthrachinons keine kostengünstige H2O2-Produktion.

Die heterogen katalysierte Wasserstoffperoxid-Direktsynthese aus den Elementen H2 und O2 ist dagegen eine attraktive Prozessroute für eine dezentrale Wasserstoffperoxid-Produktion. Jedoch kann das Potential der Direktsynthese in konventionellen Reaktoren nicht voll ausgeschöpft werden: Der weite Explosionsbereich von H2/O2-Gasgemischen und Stofftransportwiderstände im flüssigen Reaktionsmedium schränken die Reaktorproduktivität ein. Am IMVT wird zur Bewältigung dieser reaktionstechnischen Herausforderungen ein neuartiger suspensionsdurchströmter Membranmikroreaktor eingesetzt. Eine Polymermembran ermöglicht eine blasenfreie Dosierung der Reaktanden H2 und O2 zur Katalysatorsuspension, die den mäanderförmigen Reaktionskanal kontinuierlich durchströmt. Durch die alternierende Dosierung ist die Wasserstoffperoxid-Konzentration nicht durch die Sättigungskonzentration der Gase limitiert, weil die verbrauchten Reaktanden nachgeführt werden.

Um den Reaktor hinsichtlich der Wasserstoffperoxid-Produktivität zu optimieren, soll eine numerische Analyse des Systems durchgeführt werden. Dazu soll ein digitaler Zwilling des Reaktors mittels partikelbasierter Simulation erstellt werden, die auf einer SPH-Diskretisierung (smoothed particle hydrodynamics) aufbaut. Durch diese gitterfreie Methode können komplexere Kanäle wie auch Mehrphasenströmungen vergleichsweise einfach implementiert werden.


Aufgabenstellung
Im Fokus der Arbeit steht die Simulation des Eintrags der gasförmigen Reaktanden Wasserstoff und Sauerstoff in den Reaktionskanal durch eine Membran und überlagerter Reaktion. Dazu soll das bestehende Modell in der Simulationsplattform SYMPLER erweitert werden. Ziel der Arbeit ist die Parametrisierung und Validierung der überlagerten Konvektion und Diffusion und Reaktion im rechtförmigen Kanal. Dabei soll der Einfluss der zeitlichen und räumlichen Rechenauflösung auf die Genauigkeit und Stabilität der Simulation erarbeitet werden. Darauf aufbauend soll eine Parameterstudie den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf den Stofftransport im Reaktionskanal abbilden.

Der Umfang (Bachelorarbeit oder Masterarbeit) der Arbeit sowie der Schwerpunkt der Arbeit kann nach Absprache festgelegt werden. Die Arbeit richtet sich an Studierende der Fakultäten Chemie sowie Chemieingenieurwesen. Spezielle Programmierkenntnisse oder Grundlagen der SPH-Methodik werde nicht benötigt.


Beginn: Ab sofort
Betreuer: Benedikt Deschner

 

 

Institut für Mikroverfahrenstechnik

Leiter: Prof. Dr.-Ing. Roland Dittmeyer

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Telefon: 0721-608-26754
Fax: 0721-608-23186
E-Mail: benedikt.deschner@kit.edu
Web: www.imvt.kit.edu

Datum: 21. Januar 2019