Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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PoreChem – Simulation des reaktiven Stofftransports in porösen Medien

Reaktiver Transport von gelösten Stoffen ist relevant in vielen Prozessen der Industrie und Umwelt. Beispiele hierfür sind funktionalisierte Membranen, die Absorption von gelösten reaktiven Stoffen in Gestein oder nanoporösen Reaktoren. Für das akademische Studium dieser Prozesse und deren Optimierung in industriellen Prozessen und Produkten sind numerische Simulationen auf Porenebene unerlässlich.

Zu diesem Zweck haben wir PoreChem entwickelt, ein hochentwickeltes Softwarepaket, das dreidimensionalen Fluss, Transport und Reaktionen chemisch reaktiver gelöster Stoffe in aufgelösten porösen Medien simuliert.

Mit PoreChem kann zunächst die Strömung eines Fluides durch ein poröses Medium (siehe Abbildung 1) simuliert werden. Auf dem daraus resultierenden Geschwindigkeitsfeld wird dann der Transport gelöster Stoffe durch Diffusion und Advektion im Porenraum (siehe Abbildung 2) berechnet. Dabei können Reaktionen zwischen den Spezies mit verschiedenen Reaktionskinetiken mitberücksichtigt werden. Diese Reaktionen können sowohl im Fluidvolumen als auch auf der Oberfläche des porösen Mediums stattfinden.

Geschwindigkeitsverteilung im Porenraum
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Geschwindigkeitsverteilung im Porenraum einer aufgelösten Geometrie einer Mikrofiltrationsmembran.

PoreChem ermöglicht direkte numerische Simulationen von:

  • Geschwindigkeitsverteilung im Porenraum einer aufgelösten Geometrie einer Mikrofiltrationsmembran
  • dem Fluss eines Fluides (kompressibel oder inkompressibel) durch ein poröses Medium auf 3D-Bildern
  • dem Transport gelöster Stoffe durch Diffusion oder Advektion im Porenraum
  • Reaktionen im Fluid von verschiedenen Partikeltypen auf der Porenskala
  • Oberflächenreaktionen mit mehreren verschiedenen Reaktionskinetiken
  • Kopplung der Massenanreicherung an den Fluss in porösen Medien
Verteilung eines Schadstoffes im Porenraum in einer aufgelösten Geometrie.
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Verteilung eines Schadstoffes im Porenraum in einer aufgelösten Geometrie.

Mit PoreChems hochoptimiertem Löser werden numerische Simulationen direkt auf Volumenbildern aus mikrobildgebenden Verfahren – wie etwa µCT – oder auf virtuellen, mit unsere Partnersoftware GeoDict generierten, Domänen durchgeführt.

 

Darüber hinaus berechnet PoreChem mehrere wichtige Größen, wie z.B.:

  • absorbierte Masse und Konzentration im Fluid als Funktion der Zeit
  • die Effizienz funktionalisierter Membranen
  • Durchbruchkurven von Schadstoffen

Damit kann PoreChem für viele verschiedene physikalische Fragestellungen zu erwartende experimentelle Ergebnisse numerisch simulieren. Dies reduziert den Bedarf an teuren und zeitaufwändigen Experimenten. Auch kann damit das experimentelle Setup optimiert werden, wie etwa die Porenmorphologie in Filterapplikationen.

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