Browsing by Author "Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)"
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Item Open Access Combined material and process design for the adsorption refrigeration process(2022) Scherle, Marc; Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Einfluss der Reaktionskinetik und Mischung auf die Selektivität in reaktiven Blasenströmungen(2022) Gast, Sebastian; Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit wird das bisher noch unzureichend erforschte Wechselspiel zwischen Fluiddynamik, Stoffübergang und chemischer Reaktion in Blasenströmungen untersucht. Um die gegenseitigen Abhängigkeiten dieser Prozesse zu verstehen, müssen diese zuerst getrennt voneinander ohne die Beeinflussung der anderen Prozesse betrachtet werden. Um die Reaktionskinetik ohne Einfluss des Stofftransportes zu bestimmen, wurde ein neuer Kinetikreaktor entwickelt. Hierbei wird der Stoffübergang von der Gas- in die Flüssigphase räumlich von der Reaktion getrennt. Diese räumliche Entkopplung erlaubt die Untersuchung der Reaktionskinetik in homogener flüssiger Phase ohne jegliche Stofftransportlimitierung. Als Modellsystem wurde die Kinetik der unkatalysierten Toluoloxidation ermittelt und parametriert. Das selektive Reaktionsnetzwerk der Toluoloxidation, bestehend aus konkurrierenden Folge- und Parallelreaktionen bietet die notwendigen Voraussetzungen für die Studie der zuvor genannten Abhängigkeiten der Fluiddynamik, Stoffübergang und chemischer Reaktion in Blasenströmungen. Die ermittelte Reaktionskinetik erwies sich in numerischen Simulationen als zu langsam für die Interaktion mit der Blasenumströmung. Dies konnte experimentell in einer transparenten Hochdruckblasensäule technischer Größe bei industriellen Bedingungen von 30 bar und 190°C bestätigt werden. In weiterführenden Simulationen wurde die um einen Faktor KF beschleunigte Reaktionskinetik verwendet, um den Einfluss der nicht idealen Vermischung im Nachlauf einer Blase auf die Reaktion und das erzeugte Produktspektrum zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass nur Reaktionen durch die Blasenströmung beeinflusst werden, welche in einem Zeitbereich von 0.1 < Da_1 < 1000, dem sogenannten mischungsmaskierten Bereich, ablaufen. Langsamere oder schnellere Reaktionen laufen in der Bulkphase beziehungsweise ausschließlich an der Blasenoberfläche ab und werden nicht durch die unvollständige Vermischung im Nachlauf der Blase beeinflusst. Der größte Einfluss auf den Verlauf der Reaktion wird dabei von einer durch den stationären Blasenwirbel erzeugte Transportbarriere verursacht. Diese verhindert den Abtransport der erzeugten Produkte. Bei einem gleichzeitig konstanten Zustrom an Edukt werden Folgereaktionen gefördert. Dies führt zu einer starken Veränderung des Produktspektrums gegenüber des Reaktionsablaufes bei ideal vermischten Bedingungen. Darüber hinaus wurde ein Compartment Modell aufgestellt, um den Einfluss der nicht ideal vermischten Bedingungen einer Blasenumströmung auf die ablaufende Reaktion zu beschreiben. Das Compartment Modell basiert auf einem modifizierten Oberflächenerneuerungsmodell zur Darstellung der Abläufe an der Blasenoberfläche und einem Verweilzeitmodell zur Abbildung der unvollständigen Vermischung im Nachlauf der Blase. Es ist in der Lage, die identifizierte Abhängigkeit der Reaktion von Fluiddynamik und Stoffübergangs und -transport bei deutlich reduziertem Rechenaufwand zu reproduzieren und ist damit für den Einsatz in großskaligen Simulationen wie Euler-Euler und Euler-Lagrange geeignet.Item Open Access Fouling during solution polymerization in continuously operated reactors(2021) Zander, Christian; Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)Specialty polymers are mostly produced in discontinuous processes in tank reactors due to the need for flexibility in the production of this product class. Milli-structured, continuously operated reactors are promising alternatives for process intensification to increase energy efficiency and space-time-yield, reduce time-to-market for new products and maintain flexibility. A major obstacle for the transfer of batch processes to such reactor systems is the formation of fouling deposits, which grow and block the reactor. To overcome this obstacle, knowledge of the mechanisms of the formation of fouling deposits is essential. In this thesis, fouling during the polymerization of N-Vinylpyrrolidone (NVP) in aqueous solution is studied both experimentally and in simulations to gain insight into the underlying mechanism, find a model-based description of this mechanism and make suggestions how to prevent or at least decrease the formation of fouling deposits. First, results from experiments in different kinds of tank and tubular reactors are presented. In all these reactor systems, fouling deposits are formed by an insoluble polymer gel, which adheres strongly to metal surfaces. Initially, the polymer gel is formed in regions with increased local residence time, e.g. in dead-water zones of static mixer elements, at baffles of tank reactors or at walls of tubular reactors without mixer elements. Once fouling deposits have been formed, they grow by reaction and lead to clogging of tubular reactors systems. Since a polymer gel is formed, side reactions that lead to high-molecular and branched polymer chains must play an important role for the formation of deposits. Kinetic models that are based on a recently suggested reaction mechanism and predict microstructural property distribution are presented and validated using continuously stirred tank reactor (CSTR) experiments. The results confirm the suggested reaction mechanism in which creation and propagation of terminal double bonds lead to branched or crosslinked polymer chains. Although gelation of the bulk phase does not occur, fouling deposits are formed at the baffles of the tank reactor and in other poorly mixed regions of the reactor. This observation emphasizes the importance of the flow pattern and diffusive mass transport for the formation of fouling deposits. To demonstrate the interplay of the flow pattern, the reaction and diffusive mass transport, simulations using a transient CFD solver including a reduced version of the reaction kinetics model together with a model for diffusive mass transport are presented. The mass transport model is able to describe diffusive transport of statistical moments and is, therefore, consistent with the reaction kinetics model. Simulations in different two-dimensional geometries confirm that regions with increased local residence time lead to the formation of polymer gels. These regions, e.g. regions close to reactor walls or dead-water zones, cause concentration gradients, which induce mass transport between such regions and the bulk phase. Due to their lower diffusion coefficients in comparison to low molecular species, polymer molecules accumulate in these regions, which increases the viscosity locally. Because of the viscosity gradients, the flow pattern is distorted and the size of regions with increased residence time expands. The combination of an increased residence time, high polymer and low monomer contents promotes the formation of polymer gels by side reactions. Together with the adhesion of macromolecules on metal surfaces, this seems to be the relevant mechanism for the formation of fouling deposits. Therefore, strategies to decrease fouling should focus on surface modifications, which reduce adhesion of macromolecules, as well as the elimination of dead-water zones and viscosity gradients.Item Open Access Modeling of porous polymer membrane formation(2017) Hopp-Hirschler, Manuel; Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)Porous polymer membranes are used in several separation processes, e.g. in dialysis or in water purification. The morphology of the membrane affects the quality of separation, e.g. selectivity, as well as the mechanical stability of the membrane. To control the morphology of the membrane during the preparation process we first need to understand the mechanism that leads to different pore structures. It is desirable to use a numerical model to predict the pore type and detailed structure. Wet-casting is a very common preparation process for porous polymer membranes where a liquid precipitation agent is used. Herein, a polymer solution and a coagulation bath is brought into contact. After contact the polymer solution is driven into a miscibility gap and starts to phase separate into a polymer lean and a polymer rich phase. Starting from the contact area between polymer solution and coagulation bath a pore structure grows where the polymer rich phase leads to the pore matrix. Although the process is used frequently in the last decades, its mechanism is still not fully understood. Therefore, the motivation in this thesis is to bridge experimental observations from membrane science to theoretical physics where concepts exist to understand the formation of pore structures in porous polymer membranes.Item Open Access Modellbasierte und experimentelle Analyse von drahtgewebebasierten Mikrowärmeübertragern für die chemische Reaktionstechnik(2025) Walter, Christian; Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Polymer fouling in tubular reactors for radical polymerizations(2024) Welzel, Stefan; Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Reverse electrodialysis with bipolar membranes (REDBP) as an energy storage system(2018) Xia, Jiabing; Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)