04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Membrane electrode assembly for water electrolysis(2023) Nguyen, Thi Hai Van; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)Maintaining a sufficient energy supply while minimizing the impact on the environment and climate is one of the greatest social and scientific challenges of our times. There are various fields of research and technological developments in the context of global warming and limitless growing energy demand, and the focus of this PhD programme is on artificial photosynthesis, more specifically on the assembly of Membrane electrode assembly for water electrolyzer part. Mimicking photosynthesis in a scheme to trap solar energy in chemical bonds (fuels) is a scientific and technological challenge. Having a cost-effective and reliable process stays one of the main limitations in order to achieving the long-term goal of this approach. In this work, within the European eSCALED project, the elaboration of Membrane Electrode Assembly (MEA) for water electrolysis by introducing new materials and low-cost fabrication methods was investigated.Item Open Access Constitutive correlations for mass transport in fibrous media based on asymptotic homogenization(2023) Maier, Lukas; Kufferath-Sieberin, Lars; Pauly, Leon; Hopp-Hirschler, Manuel; Gresser, Götz T.; Nieken, UlrichMass transport in textiles is crucial. Knowledge of effective mass transport properties of textiles can be used to improve processes and applications where textiles are used. Mass transfer in knitted and woven fabrics strongly depends on the yarn used. In particular, the permeability and effective diffusion coefficient of yarns are of interest. Correlations are often used to estimate the mass transfer properties of yarns. These correlations commonly assume an ordered distribution, but here we demonstrate that an ordered distribution leads to an overestimation of mass transfer properties. We therefore address the impact of random ordering on the effective diffusivity and permeability of yarns and show that it is important to account for the random arrangement of fibers in order to predict mass transfer. To do this, Representative Volume Elements are randomly generated to represent the structure of yarns made from continuous filaments of synthetic materials. Furthermore, parallel, randomly arranged fibers with a circular cross-section are assumed. By solving the so-called cell problems on the Representative Volume Elements, transport coefficients can be calculated for given porosities. These transport coefficients, which are based on a digital reconstruction of the yarn and asymptotic homogenization, are then used to derive an improved correlation for the effective diffusivity and permeability as a function of porosity and fiber diameter. At porosities below 0.7, the predicted transport is significantly lower under the assumption of random ordering. The approach is not limited to circular fibers and may be extended to arbitrary fiber geometries.Item Open Access Numerical methods for the simulation of chemical engineering processes(1994) Dieterich, Erwin; Sorescu, Gheorge; Eigenberger, GerhartFundamental aspects and the current state of the art in simulating the dynamic and steady-state behavior of chemical engineering processes are discussed. The discretization of the spatial derivatives in the equations of change leads to a system of differential algebraic equations (DAE), consisting of ordinary differential equations in the time domain, and algebraic equations. The present paper discusses the necessary steps to solve the DAE, and mentions proven standard software for these steps as well as for the solution of the differential algebraic equations as a whole.Item Open Access Problems of mathematical modelling of industrial fixed-bed reactors(1986) Eigenberger, Gerhart; Ruppel, WilhelmModelling and computer simulation for the purpose of design and operation of industrial fixed-bed reactors are discussed with the aid of examples. Emphasis is laid upon difficulties and problems arising from aiming at an adequate model formulation. The following aspects are discussed in some detail: 1) The influence of heat and mass transport in the catalyst pellet, especially with complex reactions. 2) Relationships between radial heat transfer and radial flow profile and its influence upon the temperature profile in packed tubes with or without heat generation by reaction. 3) Problems of adequate modelling of catalyst activity changes during the course of operation. 4) Scale-up problem of multitubular fixed-bed reactors, i.e. the problem of achieving and maintaining the same operating conditions in and around all the tubes of the bundle.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 Novel anion exchange membrane based on poly(pentafluorostyrene) substituted with mercaptotetrazole pendant groups and its blend with polybenzimidazole for vanadium redox flow battery applications(2020) Cho, Hyeongrae; Atanasov, Vladimir; Krieg, Henning M.; Kerres, Jochen A.In order to evaluate the performance of the anion exchange membranes in a vanadium redox flow battery, a novel anion exchange polymer was synthesized via a three step process. Firstly, 1-(2-dimethylaminoethyl)-5-mercaptotetrazole was grafted onto poly(pentafluorostyrene) by nucleophilic F/S exchange. Secondly, the tertiary amino groups were quaternized by using iodomethane to provide anion exchange sites. Finally, the synthesized polymer was blended with polybenzimidazole to be applied in vanadium redox flow battery. The blend membranes exhibited better single cell battery performance in terms of efficiencies, open circuit voltage test and charge-discharge cycling test than that of a Nafion 212 membrane. The battery performance results of synthesized blend membranes suggest that those novel anion exchange membranes are promising candidates for vanadium redox flow batteries.Item Open Access Fixed bed reactors(1992) Eigenberger, GerhartCatalytic fixed-bed reactors are the most important type of reactor for the synthesis of largescale basic chemicals and intermediates. In these reactors, the reaction takes place in the form of a heterogeneously catalyzed gas reaction on the surface of catalysts that are arranged as a socalled fixed bed in the reactor. In addition to the synthesis of valuable chemicals, fixed-bed reactors have been increasingly used in recent years to treat harmful and toxic substances. For example, the reaction chambers used to remove nitrogen oxides from power station flue gases constitute the largest type of fixed-bed reactors as regards reactor volume and throughput, while automobile exhaust purification represents by far the most widely employed application of fixed-bed reactors.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 Coupled electrohydrodynamic and thermocapillary instability of multi-phase flows using an incompressible smoothed particle hydrodynamics method(2022) Almasi, Fatemeh; Hopp-Hirschler, Manuel; Hadjadj, Abdellah; Nieken, Ulrich; Safdari Shadloo, MostafaThis paper concerns the study of coupled effects of electrohydrodynamic (EHD) and thermocapillary (TC) on the dynamic behaviour of a single liquid droplet. An incompressible Smoothed Particle Hydrodynamic (ISPH) multiphase model is used to simulate EHD-TC driven flows. The complex hydrodynamic interactions are modeled using the continuum surface force (CSF) method, in which the gradient of the interfacial tension and the Marangoni forces are calculated with an approximated error or 0.014% in the calculation of Marangoni force compared to the analytical solutions which is a significant improvement in comparison with previous SPH simulation studies, under the assumption that the thermocapillarity generates sufficiently large stress to allow droplet migration, while the electrohydrodynamic phenomena influences the droplet morphology depending on the electrical and thermal ratios of the droplet and the ambient fluid. This study shows that, when applying a vertical electric field and thermal gradient, the droplet starts to stretch horizontally towards a break-up condition at a high rate of electrical permitivity. The combined effect of thermal gradient and electric field tends to push further the droplet towards the break-up regime. When the thermal gradient and the electric field vector are orthogonal, results show that the droplet deformation would take place more slowly and the Marangoni forces cause the droplet to migrate, while the stretching in the direction of the electric field is not seen to be as strong as in the first case.Item Open Access Regelung eines instationär betriebenen Festbettreaktors mit Fuzzy-Kontrollregeln(1993) Nieken, Ulrich; Kolios, Gregorios; Eigenberger, GerhartKatalytiscbe Abluftreinigung in Reaktoren mit periodischer Strömungsumkehr erlaubt einen autothermen Betrieb bis zu niedrigen Schadstoffkonzentrationen. Bei höheren Schadstoffkonzentrationen ermöglicht ein Mittenabzug die vollständige Auskopplung der Verbrennungswärme. Aufgabe der Regelung ist es, den gezündeten Zustand bei geringen Rohgaskonzentrationen durch Zugabe von Stützgas aufrechtzuerhalten und bei höheren Konzentrationen Reaktionswärme in Form eines heißen Teilgassstromes zurückzugewinnen. Ein konventioneller Reglerentwurf gestaltet sich in diesem Fall als schwierig, da der Reaktor keinen definierten Arbeitspunkt besitzt, sondern nur im gezündeten Zustand gehalten werden muß, wobei er sich aufgrund der direkten Kopplung von chemischer Reaktion und Wärmetausch stark nichtlinear verhält. Aus diesem Grund werden die Methoden der Fuzzy-Regelung ausgewählt und an einem Reaktor im Labormaßstab erprobt. Im folgenden wird zunächst kurz auf das Prinzip der katalytischen Oxidation mit periodisch wechselnder Strömungsrichtung eingegangen, um die Wahl der Reglerein- und Ausgangsgrößen zu begründen. Anschließend werden der Aufbau des Fuzzy-Reglers skizziert und die erzielten Versuchsergebnisse diskutiert.