H2O2-Direktsynthese: Simulation einer reaktiven Strömung an einer komplexen, strömungsleitenden Struktur mittels OpenFOAM®

  • Stellenausschreibung:
  • Stellenart:

    Bachelor- / Masterarbeit

  • Institut:

    IMVT

  • Eintrittstermin:

    nach Absprache

  • Kontaktperson:

    Trinkies, Laura

Hintergrund & 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 dezentrale H2O2-Produktion.

Im Gegensatz dazu ist die Direktsynthese von Wasserstoffperoxid ein attraktiver Syntheseweg, bei dem sowohl molekularer Wasserstoff als auch Sauerstoff mit einem heterogenen Katalysator in einem Reaktionsschritt kontaktiert werden. In den letzten Jahren wurde intensiv am Verständnis des Reaktionsmechanismus und an neuen Reaktorkonzepten geforscht, um eine wissensbasierte Erhöhung der intrinsischen und Reaktorselektivität zu erreichen, die derzeit der industriellen Umsetzung im Weg steht. Denn neben Wasserstoffperoxid entsteht, thermodynamisch begünstigt, Wasser als Nebenprodukt in verschiedenen Folge- und Parallelreaktionen.

Am IMVT wird zur Bewältigung dieser reaktionstechnischen Herausforderungen ein neuartiger Membranmikroreaktor eingesetzt. Eine Polymermembran ermöglicht eine blasenfreie Dosierung der Reaktanden H2 und O2 in das flüssige Reaktionsmedium, das den Reaktionskanal kontinuierlich durchströmt. Durch die alternierende Dosierung der Reaktanden ist die Wasserstoffperoxid-Konzentration nicht durch die Sättigungskonzentration der Gase limitiert, da die verbrauchten Stoffe stets nachgeführt werden können. Gleichzeitig ermöglichen eigens entwickelte 3D-gedruckte Kanaleinbauten, sogenannte Strömungsleitelemente, einen intensivierten Kontakt der Gase mit dem Reaktionsmedium. Gleichzeitig dienen diese Strukturen als Träger des benötigten Katalysators.

Abbildung 1: Schema eines Strömungsleitelementes mit katalytisch beschichteten Oberflächen [1] (links), 3D-gedrucktes Strömungsleitelement [2] (rechts)

 

Zur weiteren Optimierung des Systems und als Basis zur Auswahl eines geeigneten Designs, wird nun eine Reaktorsimulation benötigt, die das Konzept numerisch abbilden kann.

 

Thema und Aufgaben

Im Rahmen einer Abschlussarbeit (Bachelor- oder Masterarbeit) soll nun aufbauend auf Voruntersuchungen eine entsprechende Beschichtungsmethode entwickelt werden. Die beschichteten Strukturen sind im Anschluss zu charakterisieren und zu testen.

Der Umfang (Bachelorarbeit oder Masterarbeit) sowie der Schwerpunkt der Arbeit kann nach Absprache festgelegt werden. Die Arbeit richtet sich an Studierende der Fakultäten Maschinenbau oder Chemieingenieurwesen.

 

Aufgaben der Arbeit sind:

  • Optimierung der implementierten Randbedingungen
  • Erweiterung des existierenden Modells um eine Nachsättigung mit gasförmigem Edukt
  • Gittergenerierung zur präzisen Abbildung der Geometrie
  • Durchführung einer Gitterunabhängigkeitsstudie
  • Durchführung einer Parameterstudie zur Geometrieoptimierung
  • Validierung der Ergebnisse

 

Rahmenbedingungen:

  • Grundkenntnisse in OpenFOAM® vorhanden
  • Studenten der Fachrichtung Chemieingenieurwesen / Verfahrenstechnik / Maschinenbau
  • Vortrag der Ergebnisse der Arbeit innerhalb eines Institutsseminars (bei Abschlussarbeit)
  • Sprache: Englisch oder Deutsch

 

Beginn: nach Absprache

Betreuende: Laura Trinkies – IMVT (laura.trinkies∂kit.edu)

 

Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT)

Leiter: Prof. Dr.-Ing. Roland Dittmeyer

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

Telefon: 0721-608-23430
E-Mail: laura trinkiesJfp5∂kit edu
Web: www.imvt.kit.edu

Datum: 25.03.2021

 

Quellen:

[1] Trinkies, Laura L.; Düll, Andrea; Deschner, Benedikt J.; Stroh, Alexander; Kraut, Manfred; Dittmeyer, Roland (2021): Simulation of Fluid Flow During Direct Synthesis of H 2 O 2 in a Microstructured Membrane Reactor. In: Chemie Ingenieur Technik. DOI: 10.1002/cite.202000232.

[2] Laura L. Trinkies, Benedikt J. Deschner, Edgar Hansjosten, Manfred Kraut, Roland Dittmeyer (2020). 4th Indo-German Workshop on Advances in Materials, Reaction & Separation Processes: Book of Abstracts. Berlin, 2020. Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems; Indian Institute of Technology Madras, p. 90.