Hintergrund

In der Fluidverfahrenstechnik spielen Grenzflächen eine zentrale Rolle, da sie den Stofftransport zwischen zwei nicht-mischbaren Phasen bestimmen. Die Analyse dieses Transportvorgangs ist jedoch herausfordernd: Der fluide Charakter der Grenzfläche sowie die kleinen Skalen erschweren eine experimentelle Auflösung.

Forschungsarbeiten

Um die Transportvorgänge besser zu verstehen, wird in diesem Projekt eine Kombination von Experiment und Modellierung verfolgt. Hierbei handelt es sich um eine Kooperation zwischen der Technischen Universität Berlin (TU Berlin) und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Der Stofftransport wird in dispersen Flüssig/Flüssig-Systemen untersucht, wobei ternäre Systeme mit Mischungslücke und verschiedenen übergehenden Komponenten als Modellsysteme dienen. Dadurch lassen sich Einflüsse wie Viskosität, Dichteunterschiede, Phasenverhalten, Grenzflächenspannung und Anreicherungen an der Grenzfläche systematisch charakterisieren.

Experimentelle Arbeiten (TU Berlin, Wilhelm)

• Messung des Stofftransports an akustisch levitierten Tropfen
• Fixierung des Tropfens in einem Ultraschallfeld, um äußere Störungen zu vermeiden
• Optimierung des bestehenden Versuchsstandes hinsichtlich Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
• Kombination optischer Messtechnik mit Levitation zur nicht-invasiven, zeitlich hochaufgelösten Quantifizierung des Stofftransports

Abb. 1: Aufbau der Levitations-Messzelle zur Untersuchung von stehenden Tropfen

Modellierungsarbeiten (KIT)

• Auflösung der Grenzfläche mit der Dichtegradiententheorie in Kombination mit dem NRTL-Modell
• Quantifizierung von Anreicherungen an der Grenzfläche
• Berechnung von Phasengleichgewicht und Grenzflächenspannung im Gleichgewicht
• Entwicklung eines Stofftransportmodells auf Basis der gekoppelten Navier-Stokes-Gleichungen
• Ziel: Vorhersage von Phänomenen wie Marangoni-Konvektion

Abb. 2: Simulation von Marangoni-Konvektion an Tropfen im ternären System Methanol - n-Hexan - Isopropanol

Zielsetzung

Das Projekt soll erstmals eine Methodik etablieren, die durch die gezielte Kombination von Experiment und Modellierung die Vorhersage von Grenzflächenphänomenen ermöglicht. Darüber hinaus wird die stoffliche Datenbasis erweitert und neue experimentelle Methoden für zukünftige Anwendungen bereitgestellt.

Veröffentlichungen

Singer, M., Zimmermann, P., & Zeiner, T. (2025). Modeling of Interfacial Phenomena in Disperse Liquid-Liquid Systems. Fluid Phase Equilibria, 114504.