Untersuchungen zur Skalierbarkeit mikrostrukturierter Mischer für chemische Synthesen

Ziel der Arbeit war eine Potentialanalyse zur Skalierbarkeit mikrostrukturierter Apparate. Folgende Anwendungsschwerpunkte konnten ermittelt werden: Für einphasige Reaktionen sind mikrostrukturierte Mischer zur homogenen Fluidkontaktierung und mikrostrukturierte sowie Hochleistungswärmetauscher zur Wärmeabfuhr bei stark exothermen Reaktionen vielversprechende Apparate zur Prozessintensivierung. Bei mikrostrukturierten Wärmetauschern ist zusätzlich auch im Bereich stark exothermer Mehrphasenreaktionen mit limitierten erzeugten Phasengrenzflächen Potential erkennbar. Bei schwach exo- bzw. endothermen Reaktionen ermöglichen mikrostrukturierte Mischer eine drastische Reduktion der Reaktionszeiten durch die Erzeugung sehr feiner Dispersionen, da die Stofftransportlimitierung durch die großen spezifischen Phasengrenzflächen eliminiert wird. Detailliert wurden mikrostrukturierte Mischer betrachtet. Für eine einfache korrekte Skalierung müssen konstante Mischzeiten über die Skalen gewährleistet werden. Es wurde nachgewiesen, dass die in Produktkatalogen meist angegebenen Daten über den Druckverlust für eine Beurteilung der Mischeffizienz eines Apparates nicht ausreichen, da noch weitere Einflussfaktoren die Mischung beeinflussen. Da publizierte Verfahren zur Mischzeitbestimmung bislang auf Modellierungen mit idealen Randbedingungen wie streng laminarer Strömung und vernachlässigbarer Rückvermischung beruhen, wurde in dieser Arbeit eine Methode zur direkten Mischzeitbestimmung aus experimentellen Daten entwickelt. Exemplarisch wurde der Multilaminationsmischer LH2 sowie zwei T-Mischer mit verschiedenen Innendurchmessern bezüglich Druckverlust, Energiedissipationsrate und Mischzeit charakterisiert. Durch die durchgeführten Experimente zu Druckverlust und Mischzeit aber auch durch Strömungssimulationen konnte übereinstimmend nachgewiesen werden, dass die Mischwirkung trotz Reynoldszahlen im streng laminaren Bereich nicht ausschließlich auf Multilamination und Diffusion zwischen den Fluidlamellen beruht, sondern auftretende Sekundärströmungen einen signifikant mischungsintensivierenden Einfluss haben. Das Auftreten dieser Sekundärströmungen konnte durch Strömungssimulationen bestätigt und rechtwinklige Strömungsumlenkungen zwischen Schlitz- und Blendenplatte konnten als Ursache identifiziert werden.