Dr.-Ing. Marion Börnhorst

Mehrphasige katalytische Reaktoren

Mehrphasenreaktoren – Systeme, in denen chemische Reaktionen oder Stofftransportprozesse zwischen mindestens zwei Phasen wie Gas, Flüssigkeit und Feststoff stattfinden – sind von zentraler Bedeutung für eine Vielzahl industrieller chemischer, elektrochemischer und biotechnologischer Prozesse. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Emissionsminderung, der chemischen Energiespeicherung, der Abscheidung und Nutzung von CO₂, elektrochemischen Umwandlungstechnologien sowie der Verarbeitung biobasierter Rohstoffe.

Die Auslegung und Optimierung solcher Reaktoren für die Anforderungen einer nachhaltigen Produktion erfordert präzise und zugleich recheneffiziente Modelle. Dies stellt jedoch seit Langem eine große Herausforderung dar: Das komplexe Zusammenspiel von Strömungsdynamik, Wärme- und Stofftransport sowie Reaktionskinetik, das sich über stark unterschiedliche Längen- und Zeitskalen erstreckt, macht die Modellierung von Mehrphasenreaktoren besonders anspruchsvoll. Um zukünftige Anforderungen an die Energie- und Ressourceneffizienz zu erfüllen, sind eine Intensivierung der Prozesse und die Entwicklung neuartiger Reaktorkonzepte erforderlich.

Die Forschungsgruppe begegnet diesen Herausforderungen durch die Kombination der Mehrskalenmodellierung und -simulation reaktiver Mehrphasenströmungen mit experimentellen Untersuchungen und der Entwicklung fortschrittlicher Messtechniken. Auf Grundlage gezielter Experimente werden reaktionskinetische Modelle entwickelt und hierarchisch in skalenauflösende CFD-Simulationen integriert – von Einzelkanal- und Porenskalenmodellen bis hin zur Simulation vollständiger Reaktoren.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Modellreduktionsstrategien, durch die derartige Mehrskalen- und Mehrphasensimulationen recheneffizient durchgeführt werden können. Die numerischen Untersuchungen werden durch Experimente ergänzt und validiert, die sowohl lokale als auch globale Phänomene erfassen. Hierzu zählen moderne optische Bildgebungsverfahren sowie In-situ-Kapillarprobenahmetechniken zur räumlich aufgelösten Messung von Konzentrationen innerhalb strukturierter Katalysatoren.

Strukturierte Katalysatoren und ihre Charakterisierung für den Einsatz in chemischen Mehrphasenreaktoren bilden einen zentralen Forschungsschwerpunkt der Gruppe. Additive Fertigungsverfahren ermöglichen die gezielte Gestaltung von Katalysatorträgerstrukturen mit einer hohen geometrischen Flexibilität. Periodische offenzellulare Strukturen, sogenannte Periodic Open Cellular Structures (POCS), bieten im Vergleich zu konventionellen monolithischen Wabenträgern zusätzlich den Vorteil eines radialen Stofftransports und einer verbesserten Durchmischung.

Die aktuellen Arbeiten umfassen die experimentelle und numerische Charakterisierung sowohl strebenbasierter als auch flächenbasierter POCS – einschließlich dreifach periodischer Minimalflächen, sogenannter Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS). Dabei werden die Hydrodynamik, der Wärmeübergang und der Stoffübergang zwischen den Phasen in Mehrphasensystemen untersucht, um das Potenzial dieser Strukturen für die Prozessintensivierung zu bewerten.

Neben der passiven Prozessintensivierung untersucht die Forschungsgruppe den Einsatz von POCS zur Elektrifizierung chemischer Reaktoren. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Mikrowellenerwärmung als Schlüsseltechnologie für die selektive und energieeffiziente Erwärmung katalytisch aktiver Beschichtungen. Die Modellierung mikrowellenunterstützter Reaktoren stellt eine besondere Herausforderung dar, da neben den Energie-, Impuls- und Stoffbilanzen auch das elektromagnetische Feld skalenübergreifend berücksichtigt werden muss.

Die von der Forschungsgruppe entwickelte Methodik zur Mehrskalenmodellierung wird auf verschiedene Reaktorkonzepte und Anwendungsgebiete übertragen. Hierzu zählen heterogen katalysierte Gasphasen- und Mehrphasenreaktionen, die für die Emissionsminderung und die Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe relevant sind, sowie elektrochemische Reaktoren zur Verwertung von CO₂.

Technische Universität Dortmund

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