Coupling of a detailed model for scale-reduced modelling of the oxidation of iron microparticles

am Institut für Simulation reaktiver Thermo-Fluid Systeme (STFS)

Masterthesis

In einem einzigartigen Forschungsansatz sollen Eisen und seine Oxide in einem Kreislauf als kohlenstofffreier chemischer Energieträger für erneuerbare Energie genutzt werden. Eisen hat ein enormes Potenzial die Energiewende voranzutreiben. Im Projekt Clean Circles erforschen Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen wie Eisen und seine Oxide in einem Kreislauf als kohlenstofffreier chemischer Energieträger zur Speicherung von Wind- und Sonnenstrom genutzt werden können (siehe https://www.tu-darmstadt.de/clean-circles).

Für ein umfassendes Modell zur Beschreibung der Reduktion und Oxidation von Eisen(oxid) müssen geeignete skalen- und komplexitätsreduzierte Ansätze (z. B. Reaktornetzwerke) betrachtet und entwickelt werden. In einem Reaktornetzwerk kann das Reaktorvolumen in funktionale Kompartments mit repräsentativen Konzentrationen, Temperaturen oder Mischungszuständen unterteilt werden. Die Kopplung idealer Strömungsreaktoren (Strömungsrohr, Rührkessel) kann z. B. zur Annäherung an das Verweilzeit- und Umsatzverhalten realer Prozesse genutzt werden. Die Kopplung erfolgt über den Austausch von z.B. Stoff- und Energieströmen. Am Fachgebiet STFS wurden Reaktornetzwerke bereits für die Simulation praxisnaher Verbrennungssysteme gasförmiger Brennstoffe angewendet, wobei ein eigens entwickeltes C++ Tool zum Einsatz kam.

Aufgabenstellung:

Im Rahmen der Masterarbeit soll eine Erweiterung der Reaktornetzwerkmodellierung, d.h. ihrer idealen Strömungsreaktoren und deren Kopplung, für heterogene Kinetik durchgeführt werden. Konkret soll die Beschreibung der Feststoffphase in den idealen Strömungsreaktoren durch ein detailliertes Partikelmodell erweitert werden. Hierzu wurde im Rahmen einer studentischen Arbeit bereits ein erstes Modell für einzelne Feststoffpartikel (Abbildung 1) entwickelt. Durch das detaillierte Einzelpartikelmodell können der Stoff- und Wärmetransport, sowie idealisierte Oberflächenreaktionen am Partikel abgeschätzt werden. In einem weiteren Schritt soll die Berücksichtigung von Partikelgrößenverteilungen erfolgen. Mit Fokus auf die skalenreduzierte Modellierung basierend auf Reaktornetzwerken soll das detaillierte Partikelmodell in das bestehende Framework für Reaktornetzwerke integriert und validiert werden. Als Anwendungsfall stehen sowohl kinetische Daten aus dem Bereich der Feststoffverbrennung als auch experimentell ermittelte Daten zu Einzelpartikelmessungen zur Verfügung.

Empfohlene Qualifikationen:

  • Interesse an strömungsmechanischen/thermodynamischen Prozessen
  • Grundlegende Kenntnisse im Bereich chemischer Reaktionskinetik
  • Affinität zur Programmierung, Erfahrungen in C/C++ sind hilfreich
1D-Schalenmodell eines porösen Partikels