Fließschemasimulation integrierter Fällprozesse am Beispiel einer modularen Mikroreaktionstechnikanlage
- Institut:
Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik, FAU Erlangen-Nürnberg
- Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. W. Peukert, FAU Erlangen-Nürnberg
- Bearbeiter:
Dipl.-Ing. M. Haderlein, FAU Erlangen-Nürnberg
Dr.-Ing. D. Segets, FAU Erlangen-Nuremberg
Projektziel
Die Fällung stellt einen wichtigen Syntheseweg für Nanopartikeln mit neuen Eigenschaften dar. Sie ermöglicht nicht nur die Erzeugung einer Vielzahl an einphasigen, sphärischen Metall- und Halbleiternanopartikeln, sondern erlaubt auch die Herstellung komplexer Mischphasensysteme, anorganischer Kern-Schale-Teilchen oder formanisotroper Strukturen wie z.B. Stäbchen. Anwendungen für gefällte Partikeln sowie sphärische Kern-Schale-Systeme finden sich im Bereich der Solarzellen und der medizinischen Bildgebung sowie der Pharmazie, für Mischphasensysteme in der Katalyse und der Batterietechnik und für Partikeln mit Ansprüchen an spezielle, z.B. stäbchenförmige, Geometrie im Bereich der Optoelektronik und leistungsfähiger Festplatten. Im Rahmen dieses Projekts werden sowohl reaktions- als auch mischkontrollierte Systeme verschiedener Materialien am Beispiel einer modularen Mikroreaktionstechnik (MRT)-Anlage der Firma Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH studiert. Der Aufbau der Anlage kann dank des modularen Designs an den jeweils durchzuführenden Prozess angepasst werden.
Ziel des vorliegenden Projekts ist es, ein breit einsetzbares Modul für die dynamische Fließschemasimulation von Fällungsprozessen am Beispiel der vorhandenen Mikroreaktionstechnikanlage zur Verfügung zu stellen und in das Rahmenprogramm Dyssol einzubinden.
Bisheriger Projektverlauf
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Untersuchung ausgewählter reaktions- und mischkontrollierter Modellsysteme.
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Formulierung von möglichst verallgemeinerbaren Modellen, welche auf unterschiedliche Systeme adaptiert werden können (Abb. 2).
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Reaktionskontrollierte Systeme werden für den Sonderfall der instantanen, idealen Vermischung berechnet.
Reaktionskontrollierte Systeme:
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Modellierung der reaktionskontrollierten Systeme erfolgte am Beispiel von ZnO Nanopartikeln. Das erstellte Modul ist nicht auf dieses Stoffsystem beschränkt, sondern kann auch auf andere Quantenmaterialien angewendet werden. Dies wurde am Beispiel CdSe validiert und die resultierenden Daten werden als Basis für die bivariate Modellierung der nächsten Förderperiode verwendet.
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Optimierung selbstähnlicher PGVen erfolgte über einen dreistufigen Prozess, der das Mischen verschiedener Partikelfraktionen beinhaltet. Die entstehenden Mischungen zeigen eine weit schmalere PGV als die Ausgangsverteilungen und damit genauer eingestellte Eigenschaften.
Mischkontrollierte Systeme:
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Entwicklung eines symmetrischen Mischmodells, welches aus vier Zonen besteht: Zwei Zulaufzonen und zwei Mischzonen. Massenstransport über die Grenzen der einzelnen Zonen initiiert die Fällung. Experimentelle Validierung des Mischmodells mit der Villermaux-Reaktion.
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Verknüpfung dieser Teilmodelle, um den Einfluss von Teilschritten wie Mischen und Komplexbildung sowie zahlreicher konkurrierender Feststoffbildungsprozesse zu berücksichtigen.
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Modellierung erfolgte über die direkte Methode der quadratischen Momente (DQMOM). Ein Hybridmodell wurde verwendet um hinsichtlich der Feststoffphasen nicht eingeschränkt zu sein. Kopplung erfolgte über die Massenbilanz. Prozesse, die innerhalb einer Phase ablaufen, werden zusammen mit der PB gelöst. Prozesse die in mehreren Phasen ablaufen (Aggregation, Flockung) verwenden separate Ansätze.
Arbeitsprogramm
Das für die dritte Periode geplante Arbeitsprogramm gliedert sich in drei Bereiche:
• Erweiterung des Fällungsmodells für bivariate PB: Das bereits entwickelte mischkontrollierte Fällungsmodell ist hin zu einer echten bivariaten PB zu erweitern. Dadurch können z.B. Formanisotropie oder orientierte Aggregation betrachtet werden.
• Erstellung eines verallgemeinerten Fällungsmoduls für die dynamische Fließschemasimulation: Im Rahmen des Schwerpunktprogramms wurde bereits ein Fließschemamodul zur Beschreibung der Ostwaldreifung, welche vor allem im Verweilzeitreaktor der MRT-Anlage stattfindet, erstellt. Dieses Reifungsmodul wird in der nächsten FP mit den Arbeiten zur mischkontrollierten Fällung verbunden. Damit lassen sich zukünftig zahlreiche Fragestellungen zur Fällung verallgemeinerbar, d.h. für viele verschiedene Materialsysteme, abbilden.
• Erstellung eines Moduls für die Prozessoptimierung: Neben dem Rahmenprogramm Umgebung zur Fließschemasimulation erstellen die AGs Heinrich (Z-Projekt) und Leugering (PE 427/25-3) eine separate Umgebung zur Prozessoptimierung. Das hierfür benötigte gesonderte Modul wird für das Gleichungssystem, das das gesamte in Abbildung 2 dargestellte Modell (Mischmodell, Hydrochemie, PBG, Massenbilanz) beschreibt, in enger Kooperation mit den genannten AGs entwickelt.