CD-Labor for Mehrskalenmodellierung mehrphasiger Prozesse

In sogenannten Mehrphasenprozessen interagieren mehrere getrennte Phasen - Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe –z.B. durch Reaktionen miteinander. Die genauen Vorgänge in solchen Reaktoren sollen nun berechenbar und somit designbar gemacht werden.

Mehrphasenprozesse, wie sie z.B. in Wirbelschichtreaktoren (Biomassereaktoren, Reaktoren zur Polymerherstellung, etc.) zur Anwendung kommen, gelten als äußerst wirksame Prozessverfahren, da sie für eine effiziente Durchmischung der Phasen und eine hohe Kontaktrate sorgen. Bisher war man beim Entwurf solcher Reaktoren jedoch auf empirische Erkenntnisse auf Basis von früheren Erfahrungen, analytischen Überlegungen und Versuch-und-Irrtum angewiesen, da die zu geringen Rechnerkapazitäten die Modellierung der zugrundeliegenden Prozesse nicht erlaubten. Ein wichtiger Grund für die Komplexität solcher Prozesse sind die drastisch verschiedenen involvierten Größenordnungen, die jedoch in direkter Abhängigkeit zueinanderstehen. So sind Mehrphasenreaktoren typischerweise mehrere Meter hoch, die darin ablaufenden Durchmischungs- und Reaktionsprozesse werden jedoch im Detail durch das Verhalten mikroskopisch kleiner Partikel und Partikelkonglomerate maßgeblich mitbestimmt – beispielsweise durch die Kollisionen einzelner Partikel untereinander oder mit der Reaktorwand, oder durch Strömungswiderstände zwischen den Phasen. Eine weitere Herausforderung sind die massiven Diskrepanzen in den involvierten zeitlichen Dimensionen. So spannt sich der Ablauf derartiger Reaktionsprozesse zwischen den Vorgängen zwischen den einzelnen Partikeln, welche sich in Sekundenbruchteilen abspielen, und der Dauer des gesamten Reaktionsprozesses von mehreren Stunden auf.

Das Ziel der Forschung dieses CD-Labors ist es daher, diese enormen räumlichen und zeitlichen Skalenunterschiede durch neuartige Methoden zur Simulation der Vorgänge auf mehreren Skalenebenen (Mehrskalenmodellierung) berechenbar und damit planbar zu machen. So sollen Mehrphasenreaktoren in Zukunft der Versuchs-und-Irrtumsebene enthoben und gezielt designbar werden.

Der Forschungsansatz besteht aus drei Ebenen, welche die unterschiedlichen Dimensionsebenen separat simulieren und anschließend zusammenführen können. Auf räumlicher Ebene können mittels eines „Vergrößerungsglas“-Konzepts lokal kleinskalige Phänomene in einer grobskaligen Simulation effizient und simultan aufgelöst werden. Subgittermodelle berücksichtigen den Einfluss der nicht aufgelösten kleinskaligen Effekte; sie hängen ebenfalls von den makroskopischen Eigenschaften des Mehrphasenprozesses ab. Auf zeitlicher Ebene berücksichtigt ein Prozessmodel die große Bandbreite der involvierten Zeitskalen indem es die dreidimensionale Mehrphasenströmung auf einen konditionieren Zufallsprozess reduziert. Ziel der Anwendung von solchen Zufallsprozessen ist es, Wahrscheinlichkeiten für das Eintreten zukünftiger Ereignisse auch durch Kenntnis einer nur begrenzten Vorgeschichte anzugeben. Für den letzteren Ansatz wird eine Effizienzsteigerung der numerischen Simulation um mehrere Größenordnungen erwartet. Abschließend werden diese neuartigen Konzepte zur Mehrphasenmodellierung durch analytische und experimentelle Untersuchungen verifiziert beziehungsweise validiert.

Auf diese Weise sollen nicht nur neue Reaktoren designbar, sondern auch die Fehleranalyse bei Prozessausfällen erleichtert werden.