Reaktionskinetik und Reaktionsmechanismen

Eine adäquate Modellierung von Verbrennungsprozessen ist sehr kompliziert, aufgrund der großen Anzahl von chemischen Reaktionen und Spezies, schneller Temperatur-, Dichte- und Volumenveränderungen, denen häufig Turbulenz und komplexe Geometrie folgen. Zur genauen Beschreibung der chemischen und physikalischen Vorgänge in Flammen und Synthesereaktoren ist eine Modellierung der detaillierten Reaktionskinetik unerlässlich. Ein Reaktionsmechanismus ist die Abfolge von Elementarreaktionen, die auf einem molekularen Niveau vorkommen und den gesamten chemischen Prozess beschreiben. Dabei ist die Anzahl der Elementarreaktionen schon in einfachem System sehr groß. Ausführliche Reaktionsmechanismen für die Kohlenwasserstoffverbrennung, die allgemein in der Praxis verwendet werden sowie in numerischen Simulationen, enthalten mehrere hundert chemische Spezies und somit mehrere tausend theoretisch mögliche Elementarreaktionen zwischen ihnen. Wegen der enormen rechnerischen Kosten ist eine direkte Verwendung dieser komplexen Reaktionsmechanismen bei der Simulation Reaktiver Strömungen nicht möglich.  Unter spezifischen Bedingungen und befestigten physischen Rahmen (z.B. Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Mischung), wird die Annahme getroffen, dass der gesamte chemische Prozess einem weniger verzweigten Reaktionspfad folgen wird. Dieser schließt weniger Reaktionen und Arten ein als diejenigen, die durch einen ausführlichen Reaktionsmechanismus vorausgesagt werden. Deshalb ist es empfehlend automatisierte Techniken zu entwickeln, um reduzierte Reaktionsmechanismen zu schaffen. Diese reduzierte Mechanismen sollen die gleichen Ergebnisse, wie die ausführlichen chemischen Mechanismen liefern. Die ausführlichen Reaktionsmechanismen werden durch mathematisch-basierte Methoden vereinfacht und weiter in CFD-Berechnungen durchgeführt.

Die folgenden Mitarbeiter bearbeiten derzeit die Projekte auf dem Gebiet Reaktionskinetik und Reaktionsmechanismen

  • Monika Nanjaiah - Reduction of reaction mechanisms using genetic algorithms
  • Irenäus Wlokas - Reduction of reaction mechanisms using brute force method
  • Hossein Janbazi - Generation, reduction and optimization of reaction mechanisms
  • Timo Lipkowicz - Investigation of non-ideal effects in shocktubes

Ausgewählte Publikationen

  • J. T. Lipkowicz, I. Wlokas, A. M. Kempf, Analysis of mild ignition in a shock tube using a highly resolved 3D-LES and high-order shock-capturing schemes, Shock Waves (2018) 1-11. LINK
  • Janbazi, H., Hasemann, O., Schulz, C., Kempf, A., Wlokas, I., Peukert, S., Response surface and group additivity methodology for estimation of thermodynamic properties of organosilanes, International Journal of Chemical Kinetics (2018) 1–10.
  • Sikalo, N., Development and Application of a Genetic Algorithm-based Tool for the Reduction and Optimization of Reaction Kinetic Mechanisms, PhD Thesis (2017). PDF
  • Sikalo, N., Hasemann, O., Schulz, C., Kempf, A., Wlokas, I., A Genetic Algorithm–Based Method for the Optimization of Reduced Kinetics Mechanisms, International Journal of Chemical Kinetics 47:11 (2015) 695-723.
  • Sikalo, N., Hasemann, O., Schulz, C., Kempf, A., Wlokas, I., A Genetic Algorithm‐Based Method for the Automatic Reduction of Reaction Mechanisms, International Journal of Chemical Kinetics 46:1 (2014) 41-59.
  • Wlokas, I., Faccinetto, A., Tribalet, B., Schulz, C., Kempf, A., Mechanism of Iron Oxide Formation from Iron Pentacarbonyl‐Doped Low‐Pressure Hydrogen/Oxygen Flames, International Journal of Chemical Kinetics 45:8 (2013) 487-498.
  • Wiggers, H., Fikri, M., Wlokas, I., Roth, P., Schulz, C., Synthesis of tailored nanoparticles in flames: Chemical kinetics, in situ diagnostics, numerical simulation, and process development, In Nanoparticles from the Gasphase, Springer Berlin Heidelberg (2012) 3-48.
  • Hardt, S., Hamid, A., Weise, C., Wlokas, I., Wiggers, H., Schulz, C.,Experimental and numerical investigation of flame spray assisted TiO2 synthesis from titaniumtetraisopropoxide, Proceedings of the 2011 AlChE Annual Meeting Conference (2011) 16-21.
  • Staude, S., Hecht, C., Wlokas, I., Schulz, C., Atakan, B., Experimental and numerical investigation of Fe (CO) 5 addition to a laminar premixed hydrogen/oxygen/argon flame, Zeitschrift für Physikalische Chemie International journal of research in physical chemistry and chemical physics 223(4-5) (2009) 639-649.
  • Wlokas, I., Staude, S., Hecht, C., Atakan, B., Schulz, C., Measurement and simulation of Fe-atom concentration in premixed Fe (CO) 5-doped low-pressure H2/O2 flames, Proc. of the 4th European Combustion Meeting (2009).
 

links: Temperaturfeld und Stromlinienmuster
rechts: CH3 Konzentrationsfeld um Positionen von 0.32 mm, 0.73 mm und 1.06 mm über der Brenneroberfläche zu erforschen.

Temperaturfelder mit und ohne einer Probe Ausblasdüse.

Darstellung eines Reaktionspfades.

Temperaturverteilung in einem
Eisenoxid-Synthesereaktor.