Experimentelle und theoretische Untersuchung der Mehrkomponentendiffusion von Gasen unter verdünnten Bedingungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jorg Thöming, seit 1/2016
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253170578

Mehrkomponenten-Diffusion von Gasen in mikro- und nanoskaligen Strukturen bestimmt die wesentlichen Eigenschaften und die Effizienz vieler natürlicher und technischer Prozesse. In sehr kleinen Systemen befindet sich das Gas in einem Zustand, der als verdünnt bezeichnet wird, wobei Diffusion der vorherrschende und somit limitierende Transportmechanismus ist. Entscheidende Effizienzsteigerungen auf der Makroebene, z.B. in der Gastrennung mit Membranen, der heterogenen Katalyse oder bei Mikroelektromechanischen Systemen erfordern deshalb ein grundlegendes Verständnis der Abhängigkeit der Mehrkomponenten-Diffusion vom Grad der Gasverdünnung.Die bekannten Maxwell-Stefan Gleichungen (MSG) sind lediglich für die Beschreibung von Diffusion in Mehrkomponentensystemen gültig, wenn die Verdünnung vernachlässigbar gering ist. Eine Erweiterung des Gültigkeitsbereichs der MSG ist durch die Superposition mit Fick'scher Diffusion und Knudsendiffusion möglich (Runstedtler, 2006). Jedoch bleibt in diesem Ansatz die Oberflächendiffusion unberücksichtigt, die, resultierend aus eigenen Arbeiten, der dominierende Diffusionsmechanismus bei hohen Verdünnungsgraden ist. Das für die Beschreibung von Diffusion in porösen Medien akzeptierte Binary Friction Model (BFM) enthält einen Korrekturfaktor für den Übergangsbereich zwischen dem Kontinuumsbereich und dem Bereich der freien Molekularströmung. Dies deutet darauf hin, dass das BFM die Mechanismen noch nicht vollständig beschreibt. Darüberhinaus sind in der Vergangenheit sämtliche theoretischen und experimentellen Arbeiten an Kanälen und Röhren mit konstantem Querschnitt durchgeführt worden, was nicht ausreichend ist, da reale Poren meist einen sich verändernden Querschnitt aufweisen. So konnte in einer früheren Arbeit gezeigt werden, dass Querschnittsänderungen von Kanälen einen starken Einfluss auf diffusive Transportmechanismen haben. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuen, experimentell validierten Models zur Vorhersage von Mehrkomponentendiffusionsvorgängen in Kanälen mit veränderndem Querschnitt über einen weiten Bereich der Gasverdünnung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Thomas Veltzke, bis 12/2015