Hintergrund & Motivation
Synthetische Kraftstoffe (E-Fuels) sind eine vielversprechende Lösung für die Dekarbonisierung von Sektoren, die schwer zu elektrifizieren sind, wie der Luft- und Seeverkehr sowie der Schwerlasttransport. E-Fuels können in bestehenden Verbrennungsmotoren und Infrastrukturen genutzt werden, was sie zu einer wichtigen Komponente der Energiewende macht. Die Produktion dieser Kraftstoffe erfordert effiziente Verfahren wie die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS), bei der CO₂ und Wasserstoff in langkettige Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden.
Mikrostrukturierte Reaktoren bieten eine effiziente Möglichkeit, stark exotherme und schnelle chemische Reaktionen sicher zu beherrschen. Dies wird durch ihre Fähigkeit ermöglicht, große Wärmemengen pro Reaktionsvolumen abzuleiten. Hohe volumenbezogene Übertragungsflächen und lokale Wärmeübergangskoeffizienten tragen zu dieser hohen Effizienz bei. Eine besonders elegante Methode der Wärmeableitung ist die Kühlung durch verdampfendes Wasser, die eine weitgehend einheitliche Temperatur im gesamten Reaktionsvolumen sicherstellt. Durch Druckänderungen kann diese Temperatur schnell angepasst werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu kontrollieren und an unterschiedliche Prozessdurchsätze anzupassen.

Der Schlüssel zum Kühlung des Mikrostrukturierten Reaktors liegt in der gleichmäßigen Verteilung des Wassers im gesamten Reaktor, wofür ausgeklügelte Kanalstrukturen verwendet werden. (P. Pfeifer, P. Piermartini, A. Wenka, 2017, DE 10 2015 111 614 A1). Jedoch können fertigungsbedingte Schwankungen in den Kanalabmessungen oder Verformungen beim Diffusionsschweißen zu Ungleichmäßigkeiten in der Kühlung führen, was die Betriebsstabilität beeinträchtigen kann. Diese Phänomene sind bisher weder experimentell noch theoretisch hinreichend untersucht. Aufgrund der Komplexität des Verdampfungsprozesses und der hohen Anforderungen an die Gitterdimensionen für numerische Strömungssimulationen ist eine detaillierte Modellierung herausfordernd.
Ziel der Arbeit ist es, ein vereinfachtes Simulationsmodell zu entwickeln, das auf dreidimensional verknüpften Elementarzellen basiert. Jede dieser Zellen soll entweder die Wärmeerzeugung durch die chemische Reaktion oder die Kühlung durch Verdampfung abbilden und durch Stoff- und Wärmetransportbeziehungen verbunden sein.

Aufgaben & Ziele
•    Literaturrecherche zur thermischen Stabilität chemischer Reaktoren für exotherme Synthesen
•    Entwicklung eines generischen Zellenmodells, das die Wärmeleitung und Verdampfungskühlung in mikrostrukturierten Plattenreaktoren simuliert, basierend auf den patentierten Reaktorkonzeptes des IMVTs
•    Durchführung von Simulationen zum stationären und transienten Reaktorverhalten bei exothermen Reaktionen und unterschiedlichen Kühlungsbedingungen
•    Untersuchung der Auswirkungen von Störungen in der Kühlmitteldistribution auf die Stabilität und Effizienz des Reaktors
•    Dokumentation aller Ergebnisse und Analysen in einem umfassenden Bericht sowie Präsentation und Diskussion der Ergebnisse in einem Seminarvortrag am IMVT

Qualifikationen
•    Laufendes Masterstudium im Bereich Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik, Maschinenbau, technische Chemie oder vergleichbarer Studiengang
•    Grundlegendes Verständnis von chemischen Prozessen, Reaktordesign, Wärmeleitungs- und Wärmeübertragungsprozessen
•    Erste Erfahrungen mit MATLAB, CFD-Simulationen & weitere Simulationstools sind vom Vorteil
•    Begeisterung für die Energiewende und Klimaschutz
•    Gute Kommunikationsfähigkeiten in Deutsch und/oder Englisch

Starttermin: Ab sofort möglich oder nach Vereinbarung
Institut/Abteilung: Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT)/ Power-to-X – Pilotanlagen (PTX)
Arbeitsort: Remote möglich bzw. KIT Campus Nord    
Betreuer: Harald Bürgmayr (harald.buergmayr@kit.edu)
Aufgabensteller: Prof. Dr. Roland Dittmeyer