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Untersuchungen zur Strömungsführung im kontinuierlichen Ultraschallreaktor zur Optimierung von Fällungsreaktionen

Nanopartikel können als ein disperses System definiert werden, bei denen wenigstens eine Längenausdehnung unterhalb von 100 nm liegt. Diese weisen gegenüber einem chemisch äquivalenten, kontinuierlichen Material deutlich günstigere optische, elektrische, magnetische, mechanische, Diffusions- und Werkstoffeigenschaften auf. Verbreitung finden Nanopartikel in verschiedenen industriellen und wissenschaftlichen Bereichen, z.B. der Biotechnologie, als Katalysatorträger, zur Daten- oder Energiespeicherung und Mikroelektronik. Für eine Massenanwendung, bspw. für neue sog. „Advanced Materials“, ist es erforderlich, ausreichende Mengen an Nanopartikeln zur Verfügung zu stellen. Die geringen Herstellungsmengen sind derzeit der Grund für die hohen Kosten für Nanopartikel. Als Ausweg bietet sich u.a. die nasschemische Herstellung von Nanopartikeln an, die bei Rührkesseln erhebliche apparatetechnische Probleme mit sich bringt. Als Alternative können für Misch- und Fällungsreaktionen Durchflussreaktoren gesehen werden. Diese sind aber insbesondere für Fällungsreaktionen bisher wenig untersucht und damit am Markt auch nicht in optimierter Form erhältlich. Der Einsatz von Ultraschall ermöglicht hier einen definierten, von außen steuerbaren, intensiven, lokal begrenzten Energieeintrag in den Verfahrensraum. Die Mischzeiten, die durch Ultraschall mit den Wirkmechanismen Kavitation und Schwingung erreicht werden, liegen im für die Fällung geforderten Bereich (<1ms). Mit Blick auf die Sonochemie muss festgestellt werden, dass das entscheidende Problem das Scale-Up der im Laborreaktor erhaltenen Forschungsergebnisse auf großtechnische Abmessungen bzw. Durchsätze ist. Aufgrund der komplexen Vorgänge im Ultraschall und der daraus resultierenden Kavitation treten bei der Skalierung vom Labor- in den technischen Maßstab unerwünschte Effekte auf. Die Reaktionsausbeuten sind im technischen Maßstab weniger ergiebig als erwartet. Dies ist der Hintergrund und die Motivation für das vorliegende Projekt, in dem folgende Ziele verfolgt werden:

  • Erstellen einer Designstrategie unter Verwendung moderner methodischer Ansätze für eine bestimmte Klasse von Ultraschallreaktoren und somit die
  • Evaluierung und Verbesserung des Betriebsverhaltens von Ultraschallfällungsreaktoren zur Herstellung von Nanopartikeln.
  • Demonstration der apparativen Umsetzung eines kontinuierlichen Ultraschallfällungsreaktors.

Ziel der Nanopartikelsynthese muss sein, dass die Partikel als stabiles Kolloid produziert werden, um eine Agglomeration der Partikel zu verhindern. Bei der Herstellung von Nanopartikeln durch Fällung wird angestrebt, die homogene Keimbildung zu begünstigen und die Agglomeration zu vermeiden. Dies lässt sich durch eine möglichst hohe Übersättigung d.h. eine späte aber intensive Mischung der Eduktströme erreichen. Um unausgeglichene Strömungsverhältnisse und darüber hinaus breite Partikelgrößenverteilungen zu vermeiden, ist eine gezielte Stromführung in Fällungsreaktoren notwendig.

Das übergeordnete und technologische Ziel des vorliegenden Projektes bildet die Entwicklung von Reaktoren zur effizienten und kontrollierten Herstellung von Nanopartikeln. Das Konzept basiert auf der nasschemischen Herstellung von Nanopartikeln in kontinuierlich betriebenen Ultraschallfällungsreaktoren. Die hier erarbeiteten Designstrategien erhöhen die Auslegungssicherheit. Somit können Apparatehersteller oder Ultraschallspezialisten mit deutlich reduziertem Risiko Apparate und Anlagen für Fällungsprozesse unter Nutzung von Ultraschall konzipieren und anbieten.

Eine zentrale Frage bei der Optimierung von Fällungsreaktoren ist die Beurteilung der Mikromischung. Die charakteristischen Zeiten der Mikromischung werden mit dem Villermaux-Verfahren bestimmt. Die Messung des Schallfeldes wird mit einem Hydrophon durchgeführt. Um die sonochemische Reaktivität in der homogenen Flüssigphase zu charakterisieren, wird die Weissler-Reaktion verwendet. <pstyle="text-align:justify">Das vorliegende AIF Projekt ist ein Gemeinschaftsprojekt mit dem Institut für Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik der TU Bergakademie Freiberg. An der TU Bergakademie Freiberg wird der experimentelle Teil der Arbeit mit der Charakterisierung der hydrodynamischen Mischung im Verfahrensraum eines Ultraschallreaktors mittels Villermaux-Reaktion, der Charakterisierung der Mischung durch das Ultraschallfeld und dessen geometrische Ausbreitung im Verfahrensraum, sowie die Optimierung der Geometrie und der Betrieb der optimierten Fällungsreaktoren durchgeführt. An der TU Clausthal wird die Simulation der Strömungsführung im Reaktor zur deren Optimierung und zur Analyse der Mikromischung durchgeführt. <pstyle="text-align:justify">Das Projekt wird gefördert durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. - AiF 15347.

Kontakt

MSc. Nagihan Özyilmaz, Raum 120a, Tel. 05323 72-5111

Veröffentlichungen und Konferenzen (*Vortragender)

  • Ö. Ertunc, N. Özyilmaz, H. Lienhart, K. Beronov, F. Durst: Inhomogeneity of turbulence generated by passive grids, Journal of Fluid Mechanics, in review
  • N. Özyilmaz, K. Beronov, A. Delgado: Characterization of the dissipation tensor from DNS of grid-generated turbulence, High Performance Computing in Science and Engineering, Garching/Munich 2007, Springer Verlag, 2008.
  • K. Beronov, F. Durst, N. Özyilmaz, P. Lammers: Statistics and intermittency of developed channel flows: a grand challenge in turbulence modeling and simulation, High Performance Computing on Vector Systems, Springer Verlag, 2006.
  • N. Özyilmaz*, G. Brenner: Effects of roughness elements on BaSO4 precipitation in T-shaped microchannels. To be presented in Conference on modeling fluid flow 2009, Budapest, Hungary.
  • Ö. Ertunc*, N. Özyilmaz, H. Lienhart, F. Durst: Persistence of inhomogeneity of turbulence generated by static grid structures, to be presented in 12th EUROMECH European Turbulence Conferencet Marburg, Germany.
  • N. Özyilmaz*, G. Brenner: Numerical Modelling of BaSO4 precipitation. to be presented in ProcessNet Annual Meeting in CFD, Extraction, Mixing, Fulda, Germany, 2009.
  • N. Özyilmaz*, G. Brenner: Numerical Modelling of BaSO4 precipitation. to be presented in ProcessNet Annual Meeting in CFD, Extraction, Mixing, Fulda, Germany, 2009.
  • N. Özyilmaz, K. Beronov*, A. Delgado: Characterization of the Reynolds stress and dissipation-rate decay and anisotropy from DNS of grid-generated turbulence, GAMM 2008, Bremen, Germany.
  • N. Özyilmaz*, K. Beronov, F. Durst: Direct simulation of turbulence generation and transformation in flows obstructed by square grids, Fifth International Symposium on turbulence and shear flow phenomena, Munich, Germany, 2007.
  • N. Özyilmaz*, G. Brenner: Ultrasonics Effects in BaSO4 precipitation, To be presented in ProcessNet Annual Meeting Reaction Engineering. Würzburg, 2009.
  • K.Beronov*, N. Özyilmaz, F. Durst: Characterization and high-throughput microfluidic applications of an obstructed-channel flow class, Fifth International Symposium on turbulence and shear flow phenomena, Munich, Germany, 2007.

Links

http://tu-freiberg.de/fakult4/mvtat/index.html

 

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