5
and Continuous Complex Dynamic Systems, Aca- demic Press, London 2000. [3] J. Bernhard, S. Wenzel, H.-J. Körner, G. Deerberg, Abbildung von Strategien in einer verteilten, hybriden Simulationsumgebung, in Simulations- technik, Tagungsband zum 16. Symposium in Rostock, Reihe Frontiers in Simulation, FS 12 (Eds: D. Tavangarian, R. Grützner), SCS-Europa BVBA, Ghent 2002, 52. [4] Handbook of Simulation (Ed: J. Banks), John Wiley & Sons, New York 1998. [5] R. M. Fujimoto, Parallel and Distributed Simulation Systems, John Wiley & Sons, New York 2000. [6] J. M. Esposito, G. Pappas, V. Kumar, Accurate Event Detection for Hybrid Systems, in Proc. HSCC2001 (Hybrid Systems: Computation and Control), Rome, Italy, March 2001, 204. [7] Y. J. Kim, T. G. Kim, A Heterogeneous Simulation Framework Based on The DEVS Bus and the High Level Architecture, in Proc. 1998 Winter Simulation Conference, Washington, D.C., 1998, 421. [8] A. Lavrov, D. Hietel, S. Nickel, Interaction Control in a Combined Logistics an Chemical Process Simulation, in Proc. 15 th European Simulations Symposium, Delft, The Netherlands, October 2003, 562. Theoretische und experimentelle Untersuchungen der Mischvorgänge in T-förmigen Mikroreaktoren ± Teil 1: Numerische Simulation und Beurteilung des Strömungsmischens* DIETER BOTHE ** , CARSTEN STEMICH UND HANS-JOACHIM WARNECKE In Mikroreaktoren ist diffusiver Transport, bezogen auf die Zeitskala der chemischen Kinetik, schneller als in Makro- systemen. Um das daraus resultierende Potenzial für die Reaktionsführung zu nutzen, ist das Mischverhalten von Strömungsmischern im Mikrometer-Maûstab zu unter- suchen. Diese Zielsetzung verfolgt ein Forscherverbund innerhalb des DFG-Schwerpunktprogramms 1141 ¹Analyse, Modellbildung und Berechnung von Strömungsmischern mit und ohne chemische Reaktionª. Der Verbund umfasst das Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universi- tät Freiburg, das Institut für Umweltverfahrenstechnik (IUV) der Universität Bremen sowie die Technische Chemie und Chemische Verfahrenstechnik der Universität Pader- born. Im vorliegenden ersten Teil dieser gemeinsamen Arbeit wird auf Basis numerischer Simulationen das Strö- mungs- und Mischverhalten in unterschiedlichen Regimes untersucht. Entsprechende experimentelle Arbeiten, basie- rend auf räumlich hoch aufgelösten Messungen, werden am IUV durchgeführt und in einem zweiten Teil veröffentlicht. Ein dritter Teil beschreibt die Arbeiten am IMTEK über CFD-Simulationen und integrale Messungen bzgl. Strö- mung und Vermischung sowie erste Ergebnisse zu deren Einfluss auf chemische Reaktionen. 1 Einleitung Während der letzten Jahre ist die Bedeutung von Mikrore- aktoren in der Verfahrenstechnik spürbar angestiegen; sie- he hierzu das Sonderheft Mikroverfahrenstechnik der Che- mie Ingenieur Technik [1]. Da diffusive Flüsse von Stoff und Wärme mit der Oberfläche skalieren, während die entspre- chenden Veränderungen durch Quellen und Senken propor- tional zum Volumen sind, resultiert aus den in Mikroreakto- ren vorliegenden groûen Verhältnissen von Oberfläche zu Volumen die Möglichkeit einer deutlich verbesserten Reak- tionsführung. Um die Effizienz dieser neuen Technologie voll ausschöpfen zu können, ist ein fundamentales Ver- ständnis der Transportprozesse auf den hier relevanten Längen- und Zeitskalen notwendig. Dabei ist das Mischen chemischer Spezies als notwendige Voraussetzung für che- mische Reaktionen von besonderem Interesse. Definierte Strömungsbedingungen lassen sich bevorzugt im laminaren Bereich einstellen, weshalb dieser Strömungszustand für Mikroreaktoren von besonderem Interesse ist. Typische Verweilzeiten in Mikrokanälen sind deutlich kleiner als in Makrosystemen. Um auch bei kleinen Verweilzeiten signifikante Vermischung zu erzielen, muss die Kontaktfläche zwischen Bereichen hoher und niedriger Konzentration deutlich vergröûert werden. Dabei werden bestehende Konzentrationsgradienten auf kleinere Skalen transferiert, wo sie diffusiv abgebaut werden. Eine Vergrö- ûerung der Kontaktfläche kann entweder mechanisch oder hydrodynamisch erreicht werden (z. B. [2, 3]). In diesem Artikel werden Strömungs- und Misch- verhalten eines T-förmigen Mikromischers auf der Basis numerischer Simulationen untersucht. Zur Beurteilung des Mischverhaltens ist die Mischgüte nach DANCKWERTS durch eine, die Skala der Segregation charakterisierende Länge zu ergänzen. Thematisch verwandte Arbeiten zum Misch- verhalten in T-förmigen Mikromischern sind z.B. [4, 5]. 2 Skalierungseffekte In der Literatur wird derzeit diskutiert, inwieweit und bei welchen Abmessungen die Strömung von Fluiden in Mikro- kanälen ¹Mikro-Effekteª aufweisen kann [6±9]. Für die Strö- mung von Wasser in Kanälen mit Wandabständen oberhalb von 10 lm gibt es keine Anzeichen für Abweichungen von ....................................................................................... * Teil eines Vortrags anlässlich der Sitzung der GVC-Fachausschüsse ¹Mischvorgängeª und ¹Technische Reaktionsführungª, 15./17. März 2004 in Weimar. ** PD Dr. rer. nat. D. BOTHE ([email protected]), Dipl.-Chem. C. STEMICH , Prof. Dr.-Ing. H.-J. WARNECKE , Technische Chemie und Chemi- sche Verfahrenstechnik, Warburger Straûe 100, D-33098 Paderborn, Germany. FORSCHUNGSARBEITEN 1480 Chemie Ingenieur Technik 2004, 76, No. 10 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim DOI: 10.1002/cite.200400085

Theoretische und experimentelle Untersuchungen der Mischvorgänge in T-förmigen Mikroreaktoren – Teil 1: Numerische Simulation und Beurteilung des Strömungsmischens

  • Upload
    d-bothe

  • View
    218

  • Download
    5

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Theoretische und experimentelle Untersuchungen der Mischvorgänge in T-förmigen Mikroreaktoren – Teil 1: Numerische Simulation und Beurteilung des Strömungsmischens

��� ��������� ���� � ������ ��� � �������� ����� ����� �����

��� �� ��������� �� ������� ����� ������� �� ���� ��!�� ��"�! #�� �$��$�!�� � ���� #��$��$����% ���� ��"��$���"�!� "�!� � ��"��$����$����&� ���������� �� ��� ������ ��������� � �� ������ � �� ���������� �� � '(��)�� *�#��!����� +� ��,$����-� �.��("��/� �0�������$ ����� 12�

�3� !������� �" ��������� '(�) �� ���&�-� ���� ���%4 ����� 5�6 7��& �����

�1� +� 8� 9":��$�� #����� � ��� �������� � ������������ � ���� ���% 4 ����� 5�6 7��& �����

�;� �� 8� (�/��$�� �� �//��� 0� �"���� ���"��$�(#��$ ��$��$�� <�� �% �� �%�$���� � #����!��� $$� %!����� ��� & ���������� ����������'� +���� =$��%� 8���� ����� 2>3�

�?� 7� �� ��� *� �� ��� � ��$���!����"� ��"��$��9����6��& ����� �� *�� �(0� �"� ��� $���!� �#�� ����$��$"��� � #���� �(() *��� ���������� ���" � �� � �����!$��� ��.�� �����32@�

�A� �� �#��#� �� ��$��� �� 5�&��� =�$����$�� .��$���� � .�� ��� �!�$�� �� .������ ��������"��$��� � #���� �+�� ,���� �� ���������������� ���<$� *�� 5�$��������� B�$� ������� 1;2�

����������� �� � ����������������������� ��� �������������� ���������� �������������� ����� �� �������� ��������� �� �������� ��� ���������������!

" # $ � $ % & � ' $ ! ! ( ) * % � � $ � � � $ � # ) ' � � "

' * � � � + & * ) ' # � , * % � $ ) - $

=� 8&�����&$���� �$ �<<"�#�� *����/��$� ���!�� �"< ��C�$�&��� ��� ��������� ���$&� ��������� ��� � 8�&����%�$����� D� ��� ����"� ���"�$������ �$����� <,� ��+��&$���<,��"�! �" �"$���� �$ ��� 8���#�����$�� #���$���"�!�������� � 8&����$���8�E�$� �" "�$����"����� ���� C����$�"�! #��<��!$ �� 9�������#�� "��������� ��� �9�����6��/"�&$/��!����� @@3@ F����%���8����� ��"�! "�� �������"�! #�� �$���"�!���������$ "�� ���� �������� +��&$��G� ��� 0�� "�� "�<���$��� =��$$"$ <,� 8&���%�$��$����& '=8*(�- ��� D�#����$H$ 9�� "�!� ��� =��$$"$ <,� D�6��$#��<������$����&

'=D0- ��� D�#���$H$ ������ ��6� �� *�������� .����"�� .������� 0��<������$����& ��� D�#���$H$ ����� ���� =� #����!����� ���$�� *�� ����� !����������� �$ 6�� �"< ���� �"�������� ��"��$���� ��� �$����"�!�� "�� 8���#�����$�� � "�$������������ +�!���"�$���"��$� (�$�/�������� �I/�����$���� �� �$��� �������� �"< �H"���� ���� �"<!����$�� 8���"�!��� 6����� ��=D0 �"���!�<,��$ "�� � ���� �6�$�� *�� #���<<��$���$�(� ��$$�� *�� ������ $ �� �� �$�� �� =8*(� , ��.9����"��$���� "�� �$�!���� 8���"�!�� �!�� �$����"�! "�� 0������"�! ��6� ���$� (�!� ���� �" �����(�<�"�� �"< �������� +��&$�����

� ����� �

�H����� ��� ��$�$�� ����� �$ �� ����"$"�! #�� 8&������&$���� � ��� 0��<������$����& �/,� �� ��!��$�!��J ����� ����" ��� ��������<$ -����. �"��� �� ����� ��� .����� =�!���"� *����& �@�� �� �<<"�#� 9�,��� #�� �$�<< "���H��� �$ ��� B ��<�H��� �&������� 6H����� �� ��$�/���������� 0��H����"�!�� �"��� K"����� "�� ���&�� /��/���$���� �"� 0��"��� ���� ���"�$��$ �"� ��� � 8&�����&$����� #����!����� !��E�� 0���H�$����� #�� B ��<�H��� �"0��"��� �� 8�!���&�$ ���� ��"$��� #�� �����$�� +��&�$���<,��"�!� D� �� (<<���� ����� ��"�� *�������!�#��� �"�����/<�� �" &������ �$ �� <"������$���� 0����$H���� ��� *����/��$/������� �"< ��� ��� ����#��$�� H�!��� "�� C�$�&���� ��$6���!� �� � �$ ��� 8�������������� �/���� ��� ��$6���!� 0���"���$�"�! <,� ��������� +��&$���� #�� ��������� =�$�������

��<���$� �$���"�!� ���!"�!�� ������ ��� �#���"!$ � �������� ������ ���$������ 6����� ������$���"�!��"�$��� <,� 8&�����&$���� #�� ���������=�$������ �$� *%/���� 0��6����$�� � 8&��&��H��� �����"$��� &����� ��� � 8�&���%�$����� D� �"�� � &�����0��6����$�� �!�<&��$� 0������"�! �" �������� �"���� ���$�&$<�H��� �6����� �������� ����� "�� ����!��������$��$�� ��"$��� #��!��E��$ 6������ �� � 6����� ��$������ ������$��$���!�����$�� �"< &������ �&����$����<����$� 6� �� �<<"�# � !� �"$ 6������ (�� 0��!���E��"�! ��� ���$�&$<�H��� &��� ��$6���� ��������� �����%����%������ ������$ 6����� '���� �2� ��-�

=� ����� ��$&�� 6����� �$���"�!�� "�� 8����#�����$�� ���� *�<���!�� 8&��������� �"< ��� �����"�������� ��"��$���� "�$���"��$� C"� ��"�$��"�! ���8���#�����$��� �$ �� 8���!,$� ���� "*� ) -, $ %� � �"������� �� �&��� ��� ��!��!�$�� �����&$��������� H�!� �"��!H����� *����$��� #��6���$� �� �$�� �"� 8����#�����$�� � *�<���!�� 8&��������� ��� �� �� �3� 1��

� ������ ���������

=� ��� $���$"� 6�� �����$ ��&"$��$� �6�6�$ "�� �6������ � ����"�!�� �� �$���"�! #�� 9�"��� � 8&���&��H��� F8&���(<<�&$�G �"<6���� &��� �;LM�� 9,� �� �$����"�! #�� ������ � ���H��� �$ ����� �$H���� � ����� #�� @> �� ! $ �� &��� �������� <,� � 6���"�!�� #��

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

N *�� ���� 0��$��!� ���H����� ��� �$�"�!��� �0.�9����"����,��� F8���#��!H�!�G"�� F*�������� +��&$���<,��"�!G�@1�O@?� 8H�� 2>>3 � ������

NN � ��� ���� ��$� ". &�' $ ' �$��P$��"/ ���-��/���.���� ) . � � $� # )' � ��<� ����=�!� ' . � + .,*%� $)- $ � *�������� .���� "�� .�������� 0��<������$����&� ��� "�!�� �$��E�@>>� ����>MA ���� ���� ������%�

� � � � � � � � � � � � � @3A>������ ������� ������ ����� ��� ��� ��

� ���� ��������� �� !� "�#� $ ��� %"!&� ������������ �������'��(���������)*

Page 2: Theoretische und experimentelle Untersuchungen der Mischvorgänge in T-förmigen Mikroreaktoren – Teil 1: Numerische Simulation und Beurteilung des Strömungsmischens

��� <,� 8�&���%�$��� #��6����$�� ������� "�!� =�� ��������� 6�� ��� =�/"��$����/��$ �"��� �� 5�#����$�&��������"�!��@- ������ ���

�$� � � � �� � ����� @+�

�� �$ +� � / ���

'@-

�� <��$�� �H���� !��$�� ��<$ ���!"�!��� ��� ����� 9��� � !����$������ Q�����&�$ ��6� � (��"�� �"����� ���!"�!��� �� ��� �"!�"��� ��!����� �&�����"�! ��$�/������� ��� �$���"�!�#�����$�� "�� �H�!!#�� ��� � ����"�!�� ����� �"��� �� +�%������C��� ���$��$ 6��� �$�� 8&���%�$��� �!�� ��� D�$���"��"�!��� �$���"�!�#�����$��� ��� &���� /���/����� 0��$������ *����/��$ #�� � ����� �$���"�! ���� #���,��$����������� ���/����$�� 6�� �"��� �� �/����!����"�!'2- ��������$�

�$� � � � �� � @+� ��

�� �$ �� � ��

'2-

�"�� <,� ��� #���� �%�$�� ��� �� ��"�!�� ������� '@- "�� '2- � !��!��$�� �&����"�! "�� �H�!! #����� � ����"�!��� (��$ � 9��� ���!������� �$���"�!���� ��� ��� '2- ��/����<$ "� ��� ����������� <���"����$�� ���$&$��� ���$�� B���"�! �" ��� '�-

�$� � � � �� � @+� ��

��� �����=� �$ ��= �

� �/

'�-

��6�$��$ 6��� &��� /�%�&�������������� Q�����&�$ � #��H����$�� � ����"�!�� ���$ ���� ������$ 6��������� ��!$ ������ ���� � ��� +�%������C��� ��� ���"&$ / �"�� � ��� ���&������C��� ��� K"�$��$ �0/ �"<$�$$�

��� �����R"��� ��! $ ���� ���� � ���� +��"&�$�� ��� �����&$���$����� H�!���&���� "�$�� �� �����$"�! ��� ���$�� ��� +�%������C��� ��� (�<�"�� ��� ���������� ���$& /��/��$���� #����!��$ 6��� �"���0��&�����"�! ��� �����&$���$����� � ����"�!�� 6������������� +��&$����� ���!�� �"< �� C�$�&��� ��� �<<"����� #�����!���$� D�$�� ������� ��<��$ ��� ���� ����$��"� (��$$�"�! ��� &��$����� ����$��$�� <,� �������� ��������� +��&$����� � ����� �� +��&$�����$�� ��� �<�<"������$�� ��� ��!���$�$�� 8&�����&$��� ��$�/�������@>��

� � �������� ����� �� ��

�� ��� #��!��$���$�� ��"��$���� 6"���� <,� ���� *�<����!�� 8&�����&$�� �$ ����$��&!�� K"������$$�<�H�����"���!�<,��$� �� +��&$��!����$�� ��$��$ �"� ���� @;�� ���!�� 8���&���� �$ ���� *�<� #�� @>> ��� �� ����� (�����&��H�� �$ ������ �� *�<� ��� :� A �� ���!��� ���$� ��� (�����&��H�� �$ @>> ��� �� ��� 8���&�����2>> ��� C"� 0��&�����"�! ��� +�����!� �$�� "�� ���$�"� 0����!��"�! ��� +�������$ 6����� � ��� +����"��!�� ���"���$� H�!�� <,� (�����&��H�� "�� 8���&����#��6����$ '�� � � @-� 0�������"�!�� �� �� ��!� ��� ����

��� 8���&���� � ��� �$����$�$�� �����6��!&�$����� 8����$�H�!� #�� @�1 �� ��$��� �"��� �� ������$����� 0��<H����"�! ��� �$���"�!� ���!"�!�� ������� ��� 8���&����� �"��� +,�&6�&"�! ��� �"� !��H���$ !,�$�!�� �"����� ���!"�!�� �"<$�$$� ���� ��� !���!$�� (�!� ����� �$����� �"� ��"��$���� <,� ���� 8���&���� ������ H�!� "�� (�����&��H�� �$ 3>> �� H�!�� ���(��$���"�!�/��<� 6�� ��� ���� #��� ��$6�&��$�� �$����"�! #��6����$� �"��� ��"�! ��� �$�$��H��� 5�#����$��&��������"�!�� <,� ���� ����$��&!�� K"������$$ �$$���(�$6�&�"�! ���� (!��<"�&$���� ��! $ ��� ����� ��<��"

1��� �� � @;���2�3

��

3��4

�2@�22

3�� �32 �22��2 �2

@� ��

3 � ��@

��� � ��2

'�-

6� � 4 �� "�!������ ��$,������ C����� �������$ �@@�J��� ������ ����$���"�! ��� ��"�! <���$ ��� ���� � �@2���� �"�!��! ��� +��&$��� 6"��� ��� 5�������"�& ���+��� ���!"�! !���$�$ "�� �����/ +��� ���!"�!�� ����� �H����� �� �"�������� ��"��$���� 6"���� �$��� .9����!���� 9 D(5* ;�@ �"���!�<,��$� ��� ��5�#����$�&��������"�!�� �"< ���� ��� 9�$�� 0��"����8�$���� �H���"�!�6��� ���$� C"� ��&��$���"�! ��� +������!� �$�� ��� ���&�$�"&$"���$� �$$�� �$ ��� �2> >>> �6� M?> >>> &" ����� C����� #��6����$ 6������ �� �$����"�! � ��� ��� "�$���"��$�� +�%������C����� '+� � @A;-6"��� �$�$��H� �������$� +����"�!�� �$ ��� <�������$$�� 6���� <,� +� S @A; �"< �� ��$�$��H��� �$���"�!��#�����$�� ���

� �� ���� � ��� ������ �����

(�� !� �H"������ ��<�$�� ��� 8���!,$� ����$ �"< ���=�$���$H$ ��� ��!��!�$�� ���� "*� ) -, $ %� � �@��� �� �"���

5 � �2

�2��I

�$ �2 � @6

6��� ���2�6� �2

��I� ������I � ��� '3-

!�!� �� �$� �� � �������$ �� ��� 8$$��6��$ ��� �������$��$���<����� � "�� �2��I �� ��I��� ��!���� 0������ ���$ ������ �� �$�<<���!� "�� � !������ 8�I���6��$��� ������$��$�� � � #����$H��! ��!��!��$�� 9��� �"<$�$$��"� ��� ����&6��$�T����� =�$���$H$ ��� ��!��!�$�� &���!��HE

��������� ����� ���� ����� �������

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

@- (�� C"�������$���"�! ��� 9����������� �<���$ ��� �� ����"�� ��� ��$��!��

� � � � � � � � � � � � � @3A@������ ������� ������ ����� ��� ��� ��

Page 3: Theoretische und experimentelle Untersuchungen der Mischvorgänge in T-förmigen Mikroreaktoren – Teil 1: Numerische Simulation und Beurteilung des Strömungsmischens

- � @� ���5

� � @� �����

'1-

��� =�$���$H$ ��� 8������ � !���$�$ 6������ �������$ <,� ���� #����$H��! ��!��!��$�� C"�$��� �������$ #�� 5"�� "�� <,� ��� ����!�� !�����$�� 9��� �������$ #�� (�� ��� (�� +��� #�� /���/��� H�������� �"<�$�$�$����� ���E�� ��"������ 8�E�� <,� �� 8���!,$��$ � �@3� �$������� #��!����� 6������

���� 8�E� ��� =�$���$H$ ��� 8������ ������$ ����$# !�!��, �� ��� H�!���&���� �"< ��� ��!��!��$�� �"<$�$$� 9,� ��� �"���!�&�H<$!� ������� "�! ���8���R"��$H$ �$ ����� �� =�$���$H$ ��� 8������ �"����� 8�E <,� �� �&��� ��� ��!��!�$�� �" ��!H����� ���6"��� ���$� � �@�� ��!����&$� 6� � �� ���$ ��!�!� ����&��� ��� ��!��!�$�� �"< �"$�&������$���� ��� �������$��$���<����� ��"�$ "�� ���&$ �"� �"< ������������9H��� ��6��� �� �$� �� ��� �"�����"�! ����� �����/$���"< ��� �������������� 9��� ���� ���� !��E�� +�������"<6��� ���!$ "�� &��� &���� ������"���� ����"$"�!��$� #��6����� 6� ��� � �@1� #��!��$���$� 8�E

��6� � @6

6�" �6 �$ " � �

����

';-

6� � U6U ��� 0��"�������$ #�� 6 "�� UU�" UU �� H�!� ���������$�� ��� ������$�� ������$��$�� ��������� �����E� � &��� � #����������� �����$ ������"��� �$���/��$��$ 6������ C"� ���� �$ � �� 8�E <,� �� �/��<�������$�&$<�H��� �6����� �������� ����� "�� ����!��������$��$��� �"� ������� �$ ��� ����6��$ #�� � ��� H�!� "�� &��� ��� �$$����� � �$��� �6����� ����� ��������� "�� ���$ ��� H�!���&��� ��� ��!��!�$�� #���$������ 6������ ���, �� ���"� �$ ���� ���E� �� 8�E <,� ��� ������$��$���<��� ��$���$��� *�� &��<$ <,� �<<"�#���"�!����� =� 9��!����� 6����� �� 8���!,$�- ��6� ����$����� <,� �<<"�#�� 8����� � �"� ��"�$��"�! ���8����"�$H��� �����!���!���

����!���� � "��� ���# $� ���%� ��!�������

=� � �H�!!&�$ #�� ��� �$$����� �$���"�!�!����6��!�&�$ &����� � ��� ��� "�$���"��$�� +�%������C�������� �$���"�!� ������ "�$��������� 6������ �� � 9���!����� �����$��� ���� 8���#�����$��� �����&$�����$6������

=� ����� ��� 9H���� !����!�� ��� (������$����� �� 8������� '(�!��!� ����� ��� 8���&�����-� $��<�<�� ���$ �"<������� "�� <��E�� � ��� 8���&����� =� ����$��� ��� �������� ������� <��E�� ��� �$���� �� ���������� �"��� ��� 8���&���� '�� � � 2�-� �� ����"����"�$������ �/����#��$��"�! ��$��$ �"� �6� #����$H��!��!��!��$�� ��������� =� �6�$��� ��� 0��$�I�������� ���$ ��� �"<!�"�� ��� �"��� 9���&�H<$� �"�!����$�� =���$� �$H$�� � ���� &�$����� +�%������C��� �����! �"���� +���"����&"�! ��� ��&"��H��$���"�! � 9������� ��//��6� ��� �"� '�� � � 2 -� =� ���� 9H���� �� $�� �%���$��� ��� ���&����$ �" ��� (�����&��H��� ������$��� �� � ����� �$���"�!� ������� �����$�� 8����

!,$�� ���"�$���� ����� �"� �<<"�#�� *����/��$ ��� �/������ ��� � 9��� ������� +�%������C����� �"<$��$������$$� �$���"�!� ������ ��� (�!"�<���$�������� �$ <,� ��������� 8����� �<<���$��� �"�� ��� ���� ��� �6���//��6� ��� 6� � �� �%���$�� ��� �$���"�! ��,!������ (�����&��H�� �"� �"<!� ������ �$� ���"��� !����!��9�"�������$� � �� :�6��� !�!��, ����!���� �H�<$� ���8���&����� '�� � � 2�-� �"��� 0������"�! ��� �����$���� 6�� �"�H$����� ���$�&$<�H��� ����"!$ "�� �� ����$����� <,� �<<"�#�� 8����� !��$�!��$� ��� <,��$ �"���� C"����� ��� =�$���$H$ ��� 8������ � !������$�!�� � ����� ��� �&��� ��� ��!��!�$���

$� �&�'������� (#��������� �������)�� ����� ��� �����!�������

C"� ��"�$��"�! ��� 8���#�����$��� 6�� ��� 8����"��$��� � ���� K"������$$�<�H��� ��� 8���&����� �>> ����$�� ��� (�$�$$�<�H��� "�$���"��$� �� =�$���$H$ ��� 8������� �$ � ��� ���$�� �$���"�!� ������� '��������"�� 0��$�I ������- �����" 5"��� (��$ � ���� �$$������$���"�!�!����6��!&�$ #�� @ � @�@ �O� �$�!$ �� �������$� =�$���$H$ ��� 8������ ��"$��� �� '�� � � �-���"�$�� ��&$ �� �&��� ��� ��!��!�$�� #�� 2>> ��� 6����� ����� ��$� ��$�/���$� �"��� =��������!��<�� �����//��6� �� �"< 1> ���

�� � �� 3�- L <- #����"$����� �� 0��H����"�!��� ���$�&$<�H��� � �� !� K"������$$ � 6��������� �$���

��������� ������ ���������� � ��������������� �� ����������� ��� �������� ���� ���������!�� �������� "�� �# �$% &�$�# �$' &�$ �# %$% &��

� � � � � � � � � � � � � @3A2������ ������� ������ ����� ��� ��� ��

Page 4: Theoretische und experimentelle Untersuchungen der Mischvorgänge in T-förmigen Mikroreaktoren – Teil 1: Numerische Simulation und Beurteilung des Strömungsmischens

�"�!�!����6��!&�$� �� &����� �$���"�!�!����6��!�&�$�� <��E�� ��� (������$���� /������� �"��� ���8���&����� ���� ���� �� #��������� ���$�&$<�H��� �"<�!�����$ 6�� '�� � � 3�-� �� ������� �$���"�!�!����6���!&�$ ���� ��� �$�$��H�� �� �� �"�� �� ���" <,��������� ������� "�$������������ ������$��$�� �"<!�����$6����� '�� � �� 3 L �-� ����"� ���"�$��$ ��� 0��!��E���"�! ��� �/��<����� ���$�&$<�H���� 6�� �����&$���$���<,� ��� (�!"�<���$������� �$ "�� ��� 0���"���$�"�! <,��<<�&$#�� �<<"�#�� 8����� ���$� =� ��� � �� 3�- L <- ���&���$ ��� �� �"�������� 0��������"�! ��� ���$�&$<�H���� �"<!�"�� ��� �"��� �$H�&���� �"<������ ���"���$���&��� ��� ��!��!�$�� "�� ��$�/������� #����!��$�� �<<"�����6�!���

$� �&�'������� (#��������� �������)������ ��� ���������

D� �� 8��������� �" ��&������ �� �" ��� "�$������������� 8��������&$���$&�� <,����� 6�� ��� 0����"< ����/��<����� ���$�&$<�H��� ��$���! ��� 8���&����� "�$���

�"��$� ����"� ��!� �� ��� �"�� ��6��� �"< �� �$����"�!��$�"&$"��� � 8���&����� � � 1 ��!$ ��� 0����"<#�� � <,� �$���"�!�!����6��!&�$�� #�� @�@ "�� @�3 �O�'+� V @3; "�� @A;-� �� �/��<���� ���$�&$<�H��� �$�!$ � ���� 9H���� �"< ���� ��$��� #�� 6��!�� 8&����$�����"$��� ��� �� ��� !���!���� �$���"�!�!����6��!&�$�$�!$ � &��$�"����� 6�$�� �� "�� ������$ �� (��� ���8���&����� ���� ���$ #�� ��� 2; >>> �L@� 6�� <,� �� ���:�&$�� ��� ���$�&$<�H��� �"< ��� K"������$$ ��� H�!�#�� ��� 13> �� ��! $� �� ��� ������� �����6��!&�$�"����H"<$ �� �/��<���� ���$�&$<�H��� �� 8�I�"���"<!�"�� �$H�&���� 0������"�! ��� (������$���� 6�� ������������ "�� ���� ���$�&$<�H��� �"<!� �"$� �� ���� ����<<"�#� � �" ���� ������� ��� 8���&����� ���$ ��6��� ����� 0�����$�� 6�� �"��� �� � �� 1�- L �- #�����"$���$� �� =�$���$H$ - ��� 8������ �$�!$ � ����9H���� &��$�"����� ��� 6� � <,� �� ������ �����6���!&�$ �� ��"$��� !��E���� ���$ ������$ 6���

$� *������ �

(��$� R"��$�$#� 0�����"�!�� ��� ��� #��!��$���$�� �"��������� ��"��$���� 6"���� ������ �I/�����$����� ���$�� ��� ���/���$���/��$���� =D0 'D�#���$H$ ������-�"���!�<,��$� � � ;�- 6"��� �$ ��<� #�� �������"���$��9�"�������� &�� ���$ �$ &��<�&���� 8&���&�/� �"<!��������J 6�$��� ��$��� ����" 6����� � *�� 2 ����� "� �&�$�� �$!�$��$� � � ; - ��!$ ��� ��$�/�������� (��!� �� ��� �"�������� ��"��$��� ���� ����� ��������� �"< ��� �$���"�!�!����6��!&�$ #�� @�3 �O�� ���$���"�!������&$���$&� ��� 8&��������� 6����� #����� �"�������� (�!� ����� !"$ 6����!�!� ��� �� ���&���$ ��� ���� !"$ �� �"��� (�!"�<���$ ���#��!��"<���0������"�! ��� ���� (������$���� "�� �� <���� �� ���� ��� ���,����� #�� �"<$��<<� "�� � ���� ����<�H�����������!� 6����� �� <���$�� � (I/�����$ �"<$��$���

��������� ����������(� �� �������� �� ����� �� ����������� "����� ������� ���� ���������!�� �������

��������� ��������)����� � *���������� �� ����������� +�� � ������ �� ����������(��� ��� ���� ���������!�� �������� "���#� �$' &�$ �# %$�, &�$ �# %$% &�$ # %$� &�$ �# %$� &�$# %$- &��

��������� ����������(� �� �������� .����# �� �)�/������ 0�������(���.���!��/# ������� �� ������������ ������1����� ��*������������ �� ����������� ��� �# %�� � $ �# ,�� � $�# %,�� � 2� ������� ���� ���������!�� �������� "��%$% &� .����# �� %$� &� .�����#�

� � � � � � � � � � � � � @3A������� ������� ������ ����� ��� ��� ��

Page 5: Theoretische und experimentelle Untersuchungen der Mischvorgänge in T-förmigen Mikroreaktoren – Teil 1: Numerische Simulation und Beurteilung des Strömungsmischens

���� 6� 9��$��6"�< ������������ �$�"&$"��� '�� � � ;�-�"��� �� ��"��$���� ���$ 6����!�!� ��� ��� �$ �"<�� ���� �����$�C��� #�� ��� �A>> �"�,�&�"<,����� �� �C"�������/�� #�� ���#�&$�� "�� �<<"��� &���� H��!���&���� ���!$� �� �"<!�"�� #�� �"�������� �<<"���� ��� +����"�!�� ���$ �"<!����$ 6������

+ , ��������� �

=� ����� ��$&�� 6����� 8��������&$���$&�� ���� *�<���!�� 8&��������� �$ ����$��&!�� K"������$$�<�H����� "�$���"��$� �� 0���H"<� ��� =�$���$H$ ��� 8��������6� ��� �/��<����� ���$�&$<�H���� "�� ��!��!�$�����&���� 6����� �� (��� ��� 8������� "�� ��$���! ���8���&����� <,� "�$����������� �����6��!&�$�� ��&"�$��$� ��� ��$���� 6����� ���$� +��"�$�$� �I/�����$�����0�����"�! #��!��$���$� (� ��! $ ��� ��� ���� !"$� R"��$��$#� W �����$��"�! �6����� ��"��$�� "�� (I/������$�

�� 7���� � ���� � � � ��8 "9� �� "������ �� /�� ��9������ ��� � � �## ��:� �1� � � ;��� ����������� ���

(�!�!��!�� �� 23� 8� 2>>3 �9 >A1�

-#���'�����

� �L� ������$� ������$��$�����I �L� 8�I���6��$ ��� ������$��$���� �L� 8$$��6��$ ��� ������$��$���<���

���� ��2O�� �<<"����&��<<���$

��= �L� ���&������C����@� �2 ��� ��$���H�!���� ��� �%���"������ �"���������5 �L� =�$���$H$ ��� ��!��!�$��3� � �L� �"<������� ��L@� +��&$���!����6��!&�$�&���

�$��$�� ��� �����&$���$���� H�!�2 ��� +��&$���H�!�- �L� =�$���$H$ ��� 8�������� ��� ��"�&� <����� �L� ���<���$�� ��"�&+� �L� +�%������C����� �L� �����$�C���� �L� ������������ �����6��!&�$/ ��O�� �$$���� �$���"�!�!����6��!&�$6 ���� 0��"���1 ��O�� �I��� �$���"�!�!����6��!&�$�� � ��� B�$�&������$��

! � � � � � � � � � " � � � $ � � �. ��2O�� &����$���� 0�&��$H$� �� �� �%������� 0�&��$H$� �L� �$������� 6���"�!���I �L� �$������� 6���"�! ���� #���

��!��!��$�� �%�$���� ��L@� ����$�� <,� �<<"�#�� 8�����

.������ �

�@� ��������<$ 8&��#��<������$����&� �� � 5���� ��� ����� <� %+'�

�2� 9� �����$�� �� ��8����� �� 8���� 7���� ���������� �� 2@��

��� +� �� "� 8� �� �$������� �� 0� ����/� 8� �� B������� �� ���$�!�� +� �� ������ �� ���<� �� �� ��� ��=� -���� � ���� ��� ��� ����� ( % '� @M>�

�3� �� �� %� � ��!��� �� ��#����� =� -���� ���-���� ��� ����� ��� @2;�

�1� �� �� ���!� 8� .� � ����� .� �� ����$��� � ��7�������� > ����� �$$� �1M�

�;� 8� ���������&� =� ����� ,��� ����� � �� 1��?� �� ���6!� ?7-- ����� ) %('� 1?M��A� �� ���� .� �����$��"��� =� -���� ��� -���� ���

����� �@� 1;A��M� 8� ���������&� ?� 7�� 1� -���� - ��� �����

): %<'� 3M3��@>� .� 5� ����"�� 9� B&&���� � 8���$���� � *� ���!�

#��� � .� , ����� �< %�'� ��$� 5�� >;>@>3 ��$ =��@@� �� 8"�������� �� ��6��� 7�.��� � ,���� ����

����� - ������� 5����� " ����! ��"��� ������ ���+�

�@2� �� �� �/"�&� ���A���� �� � 3� �"<��� �/��!��0����!� ����� ��! ���+�

�@�� � 0� ����&6��$�� 7���� ���� � � �� �� 7@� 2?M��@3� �� ����� >��� ����� !������� ���+� � %�'� @2>?��@1� �� ��$��� (#��"�$�! $�� K"��$% �< 8I�!)

��!��� �< ����!���$% ��� ����� �< ��!��!�$�����!�����$�

��������� ���3)��� ������� �# �� �� ������� �# ������)����� �� ���� ����/������� ������� �� ������ 4��� �� �����������$���� ���������!�� ������ %$� &� .5� 6 %-7#�

� � � � � � � � � � � � � @3A3������ ������� ������ ����� ��� ��� ��