Modellierung von Mikrostrukturreaktoren

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1 Modellerung von Mkrostrukturreaktoren Insttut für Chemsche Technk Unverstät Karlsruhe Olaf Deutschmann Unverstät Karlsruhe, Insttut für Chemsche Technk Kaserstraße 12, D Karlsruhe Inhalt: 0. Enführung 1. Reaktorgröße und Art der Dffusonsprozesse 2. Modellerung chemscher Reaktonen (gasförmg, fest) 3. Modellerung des Massen- und Wärmetransports (Kontnuumsansatz) Erhaltungsglechungen Kopplung von Cheme- und Transportvorgängen Software Bespele 4. Numersche Methoden für Atomstsche Smulaton De Folen snd unter (-> Professoren -> Deutschmann -> Veröffentlchungen -> II) zu erhalten. Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

2 0.1 Modellerung von Mkrostrukturreaktoren: Besonderheten Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Mkrostrukturreaktoren snd dredmensonale Strukturen m µm cm Berech, n denen chemsche Reaktonen stattfnden und de n ener festen Matrx erzeugt werden De Modellerung von Mkrostrukturreaktoren muss berückschtgen komplexe Dynamk überwegend lamnare Strömungen ungewöhnlche physkalsche Effekte, verglchen mt konventonellen Reaktoren, we Effekte verdünnter Gase, elektroknetsche Effekte, Knudsen Dffuson, starker Enfluss der Wand auf Strömungsprofl Wärmeletung n gesamter Reaktorstruktur beschränkte Gültgket der Kontnuumsmechank Auflösung sehr klener Strukturen Umsatz und Selektvtät können verstärkt abhängen von Anfangs- und Randbedngungen des Reaktors, zetlchen und räumlchen Fluktuatonen, nhomogener Vertelung von aktven Komponenten (z. B. Katalysatormateral) Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

3 0.2 Chemsche und physkalsche Prozesse n enem Mkroreaktor zur Hochtemperaturkatalyse Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

4 Modellerung von Mkrostrukturreaktoren Insttut für Chemsche Technk Unverstät Karlsruhe Inhalt: 0. Enführung 1. Reaktorgröße und Art der Dffusonsprozesse 2. Modellerung chemscher Reaktonen (gasförmg, fest) 3. Modellerung des Massen- und Wärmetransports (Kontnuumsansatz) Erhaltungsglechungen Kopplung von Cheme- und Transportvorgängen Software Bespele 4. Numersche Methoden für Atomstsche Smulaton Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

5 1. Reaktorgröße und Art der Dffusonsprozesse Kanal enes Abgaskatalysators Mkroporen m Waschoat Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Mttlere free Weglänge (λ) der Moleküle klener/größer als offener Reaktorraum (L) Molekulare Dffuson D Y X M 1 = Ng j D j j Kn <1 Knudsenzahl Kn >1 λ Kn = Knudsen Dffuson L d 8RT D M p = 3 pm Kanaldurchmesser [nm] < 1000 < 100 Knudsen - Dffuson n enem Kanal trtt en be p [bar] be 298 K < 10 < 2 Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

6 1. Strömungsregmes n Mkrostrukturreakoren Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

8 Chemsche und physkalsche Prozesse n enem Mkroreaktor zur Hochtemperaturkatalyse Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

9 2.1 Modellerung homogener Gasphasenreaktonen: Mechansmen aus Elementarreaktonen Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Vortel: Basert auf molekularem Geschehen Extrapolatonen möglch (prädktv) Nachtel: Kenntns der Elementarkntk notwendg Bldungsgeschwndgket von Spezes : R hom = M K g k = 1 ν k k f k N g j= 1 c ν j jk k f k = A k β k Ea k exp RT Bespel: Reaktonsflussanalyse der Methanoxdaton J. Warnatz et al. Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

10 2.2 Modellerung heterogener (gas/fest) Reaktonen: Reaktonsgeschwndgket hängt von ener Velzahl von Parametern ab Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Gasphasenkonzentraton, Temperatur Chemsche Zusammensetzung der festen Phase Materal und Struktur von Washcoat und Träger Herstellungsverfahren Alterungsprozesse Varaton von Krstallstrukturen und Bulk-Phase während des Betrebs Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

11 2.2 Modellerung heterogener (gas/fest) Reaktonen: Mean-feld Approxmaton Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Vortele: Molekulare Geschehen auf Oberfläche wrd über mttlere Bedeckungsgarde (Θ ), de von der Poston m Reaktor abhängen, berückschtgt -> prädktves Modell In numersche Strömungsprogramme enfach ntegrerbar Nachtele: Kenntns der Knetk erforderlch (gegenüber Globalknetk) Über laterale Adsorbat-Wechselwrkungen wrd gemttelt (gegenüber Monte-Carlo-Smulaton) Bldungsgeschwndgket von Spezes : R het = M K s k= 1 ν k k f k N + N g j= 1 s c ν j ' jk Bespel: Oxdaton von H 2 auf Pt Deutschmann et al., Catal. Today 21 (1994) 461 k f k = A T k β k Ea exp RT k N g = 1 Θ µ k ε Θ k exp RT Θ = cσ Γ Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

13 Chemsche und physkalsche Prozesse n enem Mkroreaktor zur Hochtemperaturkatalyse Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

14 3.1 Modellerung der Transportprozesse n der fluden Phase (Kontnuumsansatz): Naver-Stokes Stokes-Glechungen Massenerhaltung Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Impulserhaltung Telchenmassen Wärmetransport Temperaturberechnung Zustandsglechung (deales Gas) Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

15 3.1 Modellerung der Transportprozesse n der fluden Phase (Kontnuumsansatz): Transportkoeffzenten Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe M T De Transportkoeffzenten ( µ, D, D, λ ) n den Erhaltungsglechungen hängen von der Temperatur und der Gemschzusammensetzung ab. De Gemschzusammensetzung kann über ene emprsche Approxmaton (unten) oder über enen Mult-Komponentenansatz modellert werden. Vskostät Wärmeletfähgket Dffusonskoeffzenten µ λ D 2 1 N + g g = X µ 2 1 N = 1 + N = 1 g g = X λ = 1 M 1 = N g j Y X D j j N = 1 1 X µ 1 X λ r Ng r j corr = j = 1 De Transportkoeffzenten der enzelnen Spezes (nkl. Temperaturabhänggket) werden expermentall oder über Chapman-Enskog-Theore bestmmt. Letztere führt zu zwe molekularen Parametern, de tabellert snd. Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

16 3.1 Modellerung der Transportprozesse n der fluden Phase (Kontnuumsansatz): Thermodynamsche Daten Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe De thermodynamschen Daten ( h, s, cp ) veler Spezes snd als Funkton der Temperatur n Polynomform gegeben und tabellert, zum Bespel n der Form (CHEMKIN, NASA): Wärmekapaztät R c = ( a + a T + a T + a T a ) p, 1,2,3,4 +,5T M Enthalpe h R a,2 2 a,3 3 a,4 4 a,5 5 = a,1t + T + T + T + T + a, 6 M Entrope R a,3 2 a,4 3 a,5 4 s = a,1 ln T + a,2t + T + T + T + a, 7 M Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

17 3.1 Modellerung von Wärmetransportprozessen Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Wärmetransport n der fluden Phase Temperaturberechnung h = T Tref c p, ( T)dT Wärmeletung n der festen Phase Externe thermsche Strahlung von festen Oberflächen ( ρ h) ( ρv jh) + t x x j 4 = εσ ( Tsold Tref )A 4 S h, ext rad j T λ = S x j h h = T c ( p,sold Tref T)dT Interne Strahlung (surface to surface) ( sold ref ) S = σ A h,nt rad 4 T θ 1 1 ε 2 sold 4 Reaktonswärme N N hom g Sh,hom rxn h R = + N Sh,het rxn N g = = 1 s = g+ 1 h R het Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

18 3.1 Smulaton enes katalytschen Strahlungsbrenners mt Energerückführung Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe 2D lamnare Strömung detallerte heterogene und homogene Reaktonsmechansmen externe thermsche Strahlung nterne thermsche Strahlung, Wärmeletung n Gasphase und Festkörper ellptscher Ansatz notwendg (FLUENT + DETCHEM) J.M. Redenus, L.D. Schmdt, O. Deutschmann. AIChE J. 47 (2001) 1177 Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

19 3.1 Bespel für de Modellerung 3D Naver-Stokes Stokes- Glechungen nklusve Wärmetransport und Cheme Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe 2 CH 4 + O 2 2 CO + 4 H 2 CH O 2 CO H 2 O Temperatur: ~ 1200 K Verwelzet: ~ 5 ms Smulaton enes mt Rh beschchteten Enzelkanals (d = µm) 3D Wärmetransport n der fluden Phase und der Kanalwand berückschtgt Detallerte Reaktonsmechansmen verwendet CFD-Code Fluent Sehr hoher Rechenzetaufwand aufgrund der Stefhet des Systems Deutschmann, O., R. Schwedernoch, L. Maer and D. Chatterjee (2001). Natural Gas Converson VI, Studes n Surface Scence and Catalyss 136, p , Elsever. Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

20 3.1 Modellerung der reaktven Strömung n Mkrokanälen: Zylndergeometre, statonäre 2D-Grenzschchtglechungen Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Für reaktve Strömungen n Mkrokanälen lassen sch oft verenfachende Annahmen treffen we Zylndergeometre und Vernachlässgung axaler Dffuson. Massenfluss ( rρu) ( rρv) z + r = 0 Axaler Impulsfluss ( rρuu) ( rρvu) z + r = r p z + µ r r u r Telchenmassenfluss ( rρuy ) ( rρvy ) Enthalpefluss ( rρuh) ( rρvh) z z + + r r = r hom ( r j ) + rr p T = ru + λr z r r gas rj h r =1,..., N g Mtunter lässt sch auch en sehr enfach zu lösendes 1D-Glechungssystem (Plug flow mt oder ohne Massentransportkoeffzenten) formuleren. Alle Verenfachungen sollten jedoch sorgfältg für jeden Reaktor sowe für de gewählten Bedngungen überprüft werden! Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

21 3.1 Modellerung der reaktven Strömung n enem Enzelkanal ener er katalytschen Verbrennungsstufe: 2D NS- vs. 2D BL-Glechungen Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe CH O 2 -- Pt/Pd ----> CO H 2 O Boundary Layer Eqs Naver-Stokes Eqs L. L. Raja, R. J. Kee, O. Deutschmann, J. Warnatz, L. D. Schmdt. Catalyss Today 59 (2000) Berechnete CO Konzentraton m Enzelkanal des Wabenkataylsators Kene sgnfkanten Unterschede zwschen Grenzschchtansatz und Naver-Stokes-Glechungen Vernachlässgung der axalen Dffuson gerechtfertgt Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

22 3.1 Modellerung der reaktven Strömung n enem Enzelkanal ener er katalytschen Verbrennungsstufe: 2D NS- vs. 2D BL- vs. 1D PF-Gl Gl. Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe 1D Plug flow Modell vermag ncht das Verhalten ncht quanttatv zu beschreben De Berückschtgung des radalen Massentransports durch enen Massentransportkoeffzenten n enem 1D Modell st n desem Fall schwerg aufgrund der großen Reaktonsgeschwndgket. L. L. Raja, R. J. Kee, O. Deutschmann, J. Warnatz, L. D. Schmdt. Catalyss Today 59 (2000) Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

23 3.1 Modellerung der reaktven Strömung n enem Enzelkanal enes es Abgaskatalysators: 2D BL- vs. 1D PF-Gl Gl.. mt/ohne Massentransport Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe 1D Plug flow Modell mt Massentransportkoeffzenten vermag das Verhalten quanttatv zu beschreben; de Reaktonen snd relatv langsam Ohne Massentransportlmterung wrd der Umsatz aber überschätzt D. Chatterjee, O. Deutschmann, 2000 Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

25 3.2 Kopplung von heterogenen chemschen Reaktonen mt der Strömung Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe De Kopplung der Prozesse an reaktven Oberflächen (heterogene Katalyse) mt der Strömung kann m statonären Zustand über Randbedngungen erfolgen: j surf = η F cat/geo R het R het = M s& berückschtgt Transportlmterung m Washcoat (poröse Struktur, n der de aktve Komponente stzt) berückschtgt aktve katalytsche Oberfläche De Prozesse m Washcoat können auch durch gekoppelte Reaktons-Dffusonsglechungen gelöst werden. Trtt en Nettomassenfluss we be CVD- und Ablatonsprozessen an der Phasengrenze auf oder beenflussen nstatonäre Oberflächenprozesse de Strömung, so kann de Kopplung über an der Phasengrenze formulerte zetabhängge Blanzglechungen erfolgen. Deutschmann et al, Proc. Combust. Inst. 26 (1996) 1747 Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

27 3.3 Software für Mkroreaktoren: CFD Codes Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe CFD - Programme snd für numersche Smulatonen von Mkroreaktoren wet verbretet Baseren mest auf Fnte-Volumen oder Fnte-Elemente Methoden Berechnungsqualtät lamnarer Strömungen hnrechend gut Unterscheden sch erheblch n der Behandlung chemscher Reaktonen Spezelle Phänomene von Mkroreaktoren nur schwer ntegrerbar (Vorscht!) Haben häufg Probleme be der Berechung komplexer Strukturen, bem Wärmetransport n verschedenen Phasen sowe Prozessen mt stark unterschedlchen Zetskalen (Stefhet) Wetere Informatonen unter anderem über: FLUENT CFD code STAR-CD CFD code CFD-ACE CFD code CFX CFD code FIRE CFD code CHEMKIN Enbau von Chemscher Knetk für Reaktve Strömungen DETCHEM CFD Software mt detallerter Reaktonsknetk FEMLAB Umgebung zur Lösung von auf PDE-Systemen führenden Problemen CFD Onlne Datenbank über CFD Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

28 3.3 Software für Mkroreaktoren: DETCHEM MONOLITH - Code zur numerschen Smulaton monolthscher Katalysatoren Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe MONOLITH temperature of the sold structure by a 2D / 3D - heat balance transent steady-state temperature profle at wall heat source term tme scale ~ 1s contact tme < 100 ms CHANNEL smulaton of the 2D flow feld by a boundary layer approach n a representatve number of monolth channels gas-phase concentraton, temperature chemcal source term DETCHEM detaled reacton mechansm ncludng surface coverage calculatons S. Tscher, C. Correa, O. Deutschmann, Catal. Today 69 (2001) 57 Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

30 3.4 Bespel: Smulaton enes katalytschen Monolthen zur Partaloxdaton von Methan zu Synthesegas Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Wabenkatalysator mt mehreren Hundert Kanälen Enzelkanaldurchmesser µm Washcoat (d = µm) mt Rh Wärmeverluste an Monolthummantelung Detallerte Reaktonsmechansmen verwendet Profle m Enzelkanal und über dem Monolth? Instatonäres Verhalten? 2 CH 4 + O 2 2 CO + 4 H 2 CH O 2 Temperatur: ~ 1200 K Verwelzet: ~ 5 ms CO H 2 O Numersche Smulaton des Reaktors mt DETCHEM MONOLITH R. Schwedernoch, S. Tscher, C. Correa, O. Deutschmann, Chem. Eng. Sc., 58 (2003) Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

31 3.4 Bespel: Smulaton enes katalytschen Monolthen zur Partaloxdaton von Methan zu Synthesegas Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe R. Schwedernoch, S. Tscher, C. Correa, O. Deutschmann, Chem. Eng. Sc., 58 (2003) Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

32 3.4 Bespel: Smulaton enes katalytschen Monolthen zur Partaloxdaton von Methan zu Synthesegas Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Oberfläche hauptsächlch mt Sauerstoff vor der Zündung bedeckt Zunehmende Temperatur führt zur Sauerstoffdesorpton und zunehmender Methanadsorpton Ensetzende exotherme Reakton führt zur Zündung Danach wrd der Gesamtumsatz durch radalen Wärme- und Massetransport bestmmt R. Schwedernoch, S. Tscher, C. Correa, O. Deutschmann, Chem. Eng. Sc., 58 (2003) Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

33 3.4 Bespel: Smulaton enes Mkroreaktors (Chps) enes Reaktorarrays zum Katalysator-Screenng der hte AG Arrays von bs zu 384 Chps Zylndrsche Mkroreaktoren (d = 1.2 mm) Katalytsches Pellet (d = 1 mm) Gaszu- und abfuhr über Membran (d Kapl. = 10µm) Gradenten m Chp? Abletung der Knetk? Thermsche Beenflussung benachbarter Chps? Numersche Smulaton der Mkroreaktonskammer (1/8) mt FLUENT Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Gtter (80000 Zellen) Druck Geschwndgket Produktkonzentraton T. Zech, J. Klen, S.A. Schunk, T. Johann, F. Schüth, S. Kledtzsch, O. Deutschmann. In: Mnaturzed Reactor Concepts (n press) Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

34 3.4 Bespel: Smulaton enes Festbettreaktors zur Untersuchung heterogen katalyserter Reaktonen (Jensen et al.) (Jensen et al.) Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Slzumstruktur Festbett (3 mg Katalysator) Partkeldurchmesser 50 µm 2D Erhaltungsglechungen Enfaches Reaktonssystem Strömungsvertelung? Temperaturvertelung? Numersche Smulaton des Reaktors mt Fnte-Elemente-Code (FEMLAB) S.K. Ajmera, C. Delattre, M.A. Schmdt, K.F. Jensen, J. Catal. 209 (2002) Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

35 Modellerung von Mkrostrukturreaktoren Insttut für Chemsche Technk Unverstät Karlsruhe Inhalt: 0. Enführung 1. Reaktorgröße und Art der Dffusonsprozesse 2. Modellerung chemscher Reaktonen (gasförmg, fest) 3. Modellerung des Massen- und Wärmetransports (Kontnuumsansatz) Erhaltungsglechungen Kopplung von Cheme- und Transportvorgängen Software Bespele 4. Numersche Methoden für Atomstsche Smulaton 35 Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

36 4.1 Numersche Methoden für Atomstsche Smulaton von Mkroströmungen: Molekulardynamsche Methoden (MD) Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Prnzp: - beschreben Bewegung der enzelnen Telchen - anwendbar für klene Volumna flüssger Strömungen - lneare Dmenson < 100nm - Integratonszet ~ Nanosekunden - akkurat, wo de Kontnuumshypothese ncht gültg st Bespel: MD Smulaton ener hydrophobschen Hydraton von zwe (16,0) Kohlenstoff-Nanoröhren von 5 nm Durchmesser; weß = H 2, schwarz = O 2, grau = C r Vorgehenswese: 1. Anfangsbedngungen und Geometre defneren 2. Spezfzerung des ntermolekularen Potentals 3. Integraton der Newtonschen Bewegungsglechungen Karnadaks, G. E. and A. Beskok (2002). Mcro Flows. Fundamentals and Smulaton, p. 258, Sprnger. Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

37 4.2 Numersche Methoden für Atomstsche Smulaton von Mkroströmungen: Drekte Monte Carlo Smulaton (DSMC) Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Prnzp: - Nachahmen der Bewegung der enzelnen Telchen durch Auswahl an Telchen - Berückschtgung von Stößen und Wechselwrkung mt Wand sowe chemscher Reaktonen - mest verdünnte Gas - lneare Dmenson ~ 10 mm - Zetntervalle größer als be MD Bespel: DSMC Smulaton der Grenzschchtbldung entlang der Wände enes 2D Mkrokanals (parallele Platten); Geschwndgketsfeld, Strömung von lnks Vorgehenswese: 1. Bewegung enzelner Telchen beschreben 2. Indzerung und Referenz der Telchen 3. Smulaton der Stöße 4. Abletung makroskopscher Egenschaften A.G. Dxon et al., Worcester Polytechnc Insttute, Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

38 4.3 Numersche Methoden für Atomstsche Smulaton von Mkroströmungen: Boltzmann-Glechung (BE) Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Prnzp: - beschrebt de Entwcklung ener Geschwndgketsvertelung durch molekularen Transport und bnäre ntermolekulare Stöße - wrd drekt aus Newtons Axomen abgeletet - gültg für alle Kn - makroskopsche Größen durch Vertelungsfunkton defnert - numersche Lösung aufwendg - häufg verenfachende Glechung gelöst - nur enfache Geometren Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

39 4.4 Numersche Methoden für Atomstsche Smulaton von Mkroströmungen: Lattce-Boltzmann-Methode (LBM) Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe Prnzp: löst ene verenfachte Boltzmann- Glechung auf enem dskreten Gtter effektv be Prozessen mt mkroskopscher und mesoskopscher Dynamk auch gültg für große Knudenzahlen komplexe und zufällge Geometren behandelbar effzente Kopplung mt chemschen Reaktonen (noch) problematsch Chng-Long Ln, The Unversty of Iowa, Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./

40 Weterführende Lteratur (Auswahl) Hedelberg Unverstät Unversty Karlsruhe 1. Karnadaks, G. E. and A. Beskok (2002). Mcro Flows. Fundamentals and Smulaton, Sprnger. 2. Ehrfeld, W., V. Hessel and H. Löwe (2000). Mcroreactors. New Technology for Modern Chemstry, Wley-VCH. 3. Stone, H. A. and S. Km (2001). "Mcrofludcs: Basc Issues, Applcatons, and Challenges." AIChE J. 47(6): spezell zu Kaptel 2 und 3 1. Dumesc, J. A., D. F. Rudd, L. M. Aparco, J. E. Rekoske and A. A. Trevno (1993). The Mcroknetcs of Heterogeneous Catalyss. Washngton, DC, Amercan Chemcal Socety. 2. Kee, R. J., M. E. Coltrn and P. Glarborg (2003). Chemcally Reactng Flow, Wley-Interscence. 3. Warnatz, J., R. W. Dbble and U. Maas (1996). Combuston, Physcal and Chemcal Fundamentals, Modelng and Smulaton, Experments, Pollutant Formaton. New York, Sprnger-Verlag. 4. Brd, R. B., W. E. Stewart and E. N. Lghtfoot (1960). Transport Phenomena. New York, John Wley & Sons, Inc. 5. Kee, R. J., F. M. Rupley, J. A. Mller, M. E. Coltrn, J. F. Grcar, E. Meeks, H. K. Moffat, A. E. Lutz, G. Dxon-Lews, M. D. Smooke, J. Warnatz, G. H. Evans, R. S. Larson, R. E. Mtchell, L. R. Petzold, W. C. Reynolds, M. Caracotsos, W. E. Stewart, P. Glarborg, C. Wang and O. Adgun (2000). CHEMKIN. San Dego, Reacton Desgn, Inc. 6. Benson, S. W. (1976). Thermochemcal Knetcs. New York, John Wley & Sons. 7. Hayes, R. E. and S. T. Kolaczkowsk (1997). Introducton to Catalytc Combuston. Amsterdam, Gordon and Breach Scence Publ. 8. Deutschmann, O. (2001). Interactons between transport and chemstry n catalytc reactors. Habltatonsschrft. Fakultät für Cheme. Hedelberg, Ruprecht-Karls-Unverstät Hedelberg. ( spezell zu Kaptel 4 1. Ajmera, S. K., C. Delattre, M. A. Schmdt and K. F. Jensen (2002). "Mcrofabrcated Dfferental Reactor for Heterogeneous Gas Phase Catalyst Testng." Journal of Catalyss 209(2): Maruta, K., K. Takeda, J. Ahn, K. Borer, L. Stzk, P. D. Ronney and O. Deutschmann (2002). "Extncton Lmts of Catalytc Combuston n Mcrochannels." Proc. Combust. Inst. 29. Olaf Deutschmann, DECHEMA-Weterbldungskurs Mkroverfahrenstechnk, Frankfurt a.m., 25./