Erfassung und Steuerung zweiphasiger Strömungsmuster in Mikroreaktoren
Linda Arsenjuk
Die Flüssig/Flüssig-Pfropfenströmung in Mikrokanälen stellt eine aussichtsreiche Möglichkeit zur Intensivierung stofftransportlimitierter Prozesse dar. Zur industriellen Nutzung müssen zwei Voraussetzungen geschaffen werden: Erhöhung der Durchsätze sowie einfache Überwachung und Regelung der bestimmenden Prozessparameter. Zum Erhalt der maßstabsgebundenen Eigenschaften sollte die Durchsatzsteigerung durch Parallelisierung baugleicher Geometrien erfolgen. Dabei ist der Erhalt gleicher Bedingungen in jedem der parallelen Reaktionskanäle essenziell. Dies stellt besonders bei mehrphasigen Anwendungen eine Herausforderung dar, da hierbei auch die Strömungsform erhalten bleiben muss.
Diese Arbeit liefert einen Beitrag, die Strömungscharakteristika zweiphasiger Anwendungen in einzelnen und parallelisierten Mikroreaktoren messtechnisch zugänglich sowie regelbar zu machen. In ihrem Rahmen werden verschiedene nicht-invasive Sensoren und Aktoren entwickelt. Zur Erfassung von Strömungsmustern kommt ein neuartiges, elektrisches Messprinzip zum Einsatz, welches auf Detektion von triboelektrischen Ladungsunterschieden beruht. Zur Steuerung der Strömungsmuster werden zum einen elektrische Felder und zum anderen die Variation der geometrischen Verhältnisse am Phasenmischpunkt angewandt. Die Einstellung einphasiger Volumenströme kann durch ein Mikroventil auf Basis temperaturgesteuerter Viskositätsanpassung erfolgen. Durch Kombination der Aktoren wird die Parallelisierung von Mikrokanälen unter vollautomatischer Erfassung und Homogenisierung der Fluidverteilung und der Strömungsmuster realisiert. Darüber hinaus können die Vorteile der Pfropfenströmung in einphasigen Anwendungen durch Zusatz einer inerten Phase ausgenutzt werden. In der Arbeit wird ein neuartiges Messverfahren vorgestellt, welches dieser Phase eine weitere Funktionalität als Messsonde zuweist. Durch Erfassung der Strömungsform lässt sich die Viskosität ermitteln, durch Fluoreszenz-Thermometrie die Temperatur.
