Numerische Untersuchung der flüssig, flüssig Pfropfenströmung in einem Mikrokapillarreaktor

Die wesentlichen Vorteile eines Mikrokapillarreaktors basieren auf seinem extrem hohen Verhältnis von Oberfläche und Volumen. Hierdurch bietet der Mikroreaktor vielversprechende Reaktionsbedingungen. Zu nennen sind hier unter Anderem ein stark erhöhter Wärme- und Stofftransport. Dieser Vorteil kann jedoch nur bei bekannter Hydrodynamik genutzt werden. Die Hydrodynamik der flüssig/flüssig Pfropfenströmung wird von einer komplexen Wirbelstruktur in der kontinuierlichen und in der dispersen Phase geprägt. Die disperse Phase benetzt, im betrachteten Fall, die Kapillarwand nicht. Daher entsteht ein dünner Wandfilm aus kontinuierlicher Phase zwischen dem Pfropfen und der Kapillarwand. Aus diesem Wandfilm resultiert wiederum eine relative Bewegung zwischen disperser und kontinuierlicher Phase. Die gezielte Steuerung der Hydrodynamik und damit letztendlich die Kontrolle über Wärme- und Stofftransport, kann nur mit einem tiefergreifenden Verständnis der flüssig/flüssig Pfropfenströmung erfolgen. Die Arbeit identifiziert hierfür unterschiedliche Einflussgrößen. Die entscheidenden Kennzahlen sind die Kapillar-Zahl, die Reynolds- Zahl und das Viskositätsverhältnis beider Fluidphasen. Die numerische Berechnung der Hydrodynamik basiert auf einer modifizierten level-set-Methode in Verbindung mit einer Einfeld- Formulierung. Die Simulationen sind zeitabhängig und achsensymmetrisch. Die Auflösung des Rechengitters ist an die geringe Wandfilmdicke zwischen Pfropfen und Kapillarwand angepasst. Ein weiterer betrachteter Aspekt ist die Anwesenheit von Katalysatorpartikeln in einer flüssig/flüssig Pfropfenströmung. Die Katalysatorpartikel befinden sich hierbei in der dispersen Phase. Die Beschreibung der Partikelbewegung basiert auf der klassischen Lagrange. Die Simulationen zeigen, dass die Partikelbewegung über den Shield-Parameter beschrieben wird. Für einen Shield-Parameter, der kleiner ist als ein Mobilitätsgrenzwert, sedimentieren die Partikel und lagern sich in der hinteren Pfropfenhälfte ab.