Transport-Reaktions-Simulation

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Unter Transport-Reaktions-Simulation versteht man die Berechnung von Prozessen in porösen Festkörpern, die durch Transportvorgänge in den Poren und damit verbundene chemische Reaktionen bestimmt werden. Teilweise wird auch der Begriff Reaktiver Transport verwendet. Die Simulationen dienen zur Prognose der zeitabhängigen Veränderungen des Festkörpers und des in den Poren befindlichen Stoffes (Flüssigkeit oder Gas). Sie sind auch ein Instrument, um solche Prozesse besser zu verstehen, wenn sie im Laborexperiment nur schwer oder gar nicht zugänglich sind.[1]

Simulation chemischer Reaktionen[Bearbeiten]

Die rechnerische Simulation einer chemischen Reaktion beginnt damit, einem Volumen (das chemische System) eine chemische Ausgangs-Zusammensetzung, einen Druck und eine Temperatur zuzuweisen. Anschließend berechnet man die thermodynamisch stabile chemische Zusammensetzung (stabiler Phasenbestand). Die Differenz zwischen der Ausgangs-Zusammensetzung und der thermodynamisch stabilen Zusammensetzung ist die ablaufende chemische Reaktion.

Zur Berechnung des thermodynamisch stabilen Phasenbestandes stehen zwei Methoden zur Verfügung: Zum einen kann man mit Hilfe der Gleichgewichtskonstanten der Reaktionen ein Gleichungssystem aufbauen und lösen. Diese Methode wird z. B. von dem Programm EQ3/6[2] und dem Thermodynamikmodul des Programms PHREEQC[3] verwendet. Der andere Weg beruht auf einer Optimierung der Gibbsschen Energie des chemischen Systems (Gibbs Energy Minimization – GEM). Diese Methode benutzt z. B. das Programm GEM-Selektor[4] und das Thermodynamikmodul des Programms Transreac.[5][6] Die GEM-Methode ist flexibler. So müssen keine chemischen Reaktionsgleichungen aufgestellt werden, sondern nur die an möglichen Reaktionen beteiligten Substanzen bekannt sein. Nebenbedingungen beider Methoden sind die Erhaltung der Massen und der Ladung im chemischen System.

Die Qualität der Simulation chemischer Reaktionen hängt in starkem Maße von der Qualität der zugrundeliegenden thermodynamischen Daten ab. Für Mischphasen müssen Mischungsmodelle und Methoden zur Bestimmung der Aktivitätskoeffizienten vorhanden sein. Chemische Systeme mit hochkonzentrierten wässrigen Lösungen erfordern beispielsweise das sogenannte Pitzer-Modell zur Bestimmung der Aktivitätskoeffizienten der gelösten Stoffe. Ansonsten ist beispielsweise schon eine so einfache Frage wie die Löslichkeit von Kochsalz in Wasser nicht berechenbar. Mit Reaktionsmodellen lassen sich häufig auch Reaktionspfadbetrachtungen durchführen, in dem einem System sukzessive Komponenten hinzugefügt oder entnommen werden, beispielsweise bei der Simulation einer Titration. Man kann so den Verlauf von Reaktionen verfolgen, ohne allerdings an den Prozess eine Zeitskala anlegen zu können.[5][1]

Simulation von Transportprozessen[Bearbeiten]

Transportprozesse in porösen Körpern werden über Differentialgleichungen beschrieben, die numerisch gelöst werden, z.B. über ein Differenzenverfahren oder die Finite-Elemente-Methode. Die Finite-Elemente-Methode hat Vorteile, wenn der zu betrachtende Körper eine komplizierte Geometrie hat. Häufig sind verschiedene Transportprozesse miteinander verbunden und können nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. Ein Beispiel aus der Bauphysik: Der Wärmedurchgang durch Außenbauteile hängt stark von deren Feuchtegehalt ab, da die Wärmeleitzahl der Baustoffe feuchteabhängig ist. Wärme- und Feuchtetransport können daher in der Regel nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. [1] Folgende Transportprozesse und Effekte können auftreten:

Veränderung von Transportkenngrößen durch die ablaufenden chemischen Reaktionen[Bearbeiten]

Durch die ablaufenden chemischen Reaktionen werden Feststoffphasen aufgelöst oder neu gebildet. Dadurch verändern sich das Porensystem und die Transportkenngrößen. Transport-Reaktions-Simulationen benötigen deshalb ein Modul, mit dem diese Veränderung von Transportkenngrößen beschrieben werden kann.[5]

Einfluss der chemischen Kinetik[Bearbeiten]

Chemische Kinetik lässt sich auf Transportvorgänge zurückführen. In einer Transport-Reaktions-Simulation wird die Geschwindigkeit der Reaktionsprozesse im Wesentlichen über die Simulation der Transportprozesse in den Poren beschrieben, das heißt über den Nachtransport von Ausgangsstoffen zum Reaktionsort bzw. den Wegtransport von Reaktionsprodukten vom Reaktionsort. Bei langsamen Reaktionen kann es jedoch notwendig werden, zusätzliche reaktionskinetische Effekte zu berücksichtigen, die z.B. auf die begrenzte Geschwindigkeit der Reaktion zwischen den Stoffen in der Pore und der damit in Kontakt stehenden Porenwandung zurückgehen.[5]

Transport-Reaktions-Modelle[Bearbeiten]

Transport-Reaktions-Modelle fügen die zuvor beschriebenen Module zusammen, so dass über eine numerische Berechnung eine orts- und zeitabhängige Simulation des Prozesses möglich wird. Transport-Reaktions-Modelle entstammen sehr unterschiedlichen Bereichen. Das Programm PHREEQC[3] kommt beispielsweise aus der Geochemie. Das Programm Transreac [5] entstammt beispielsweise der Baustoffforschung. Transreac wurde später über die Einbettung in eine Monte-Carlo-Simulation zu einem probabilistischen Verfahren erweitert, mit dem auch die Streuungen der Ergebnisse berechnet werden können.[6] Außerdem erfolgte eine Erweiterung zum adaptiven Modell, bei dem durch die Einbeziehung von Messdaten vom Bauwerk eine Verbesserung der Prognose des zukünftigen Bauteilverhaltens möglich ist. [7] Zum Teil werden Transport-Reaktions-Modelle auch mit mechanischen Modellen gekoppelt, da z. B. eine einsetzende Rissbildung durch Korrosionsprozesse eine Rückwirkung auf die Transportprozesse hat. Um die Leistungsfähigkeit entsprechender Modelle zu umreißen, bedient man sich folgender Kurzzeichen:[1]

  • C – Simulation chemischer Prozesse
  • T – Simulation thermischer Prozesse
  • H – Simulation hydraulischer Prozesse, wobei es besser ist, hier allgemein von Stofftransport zu sprechen
  • M – Simulation mechanischer Prozesse

Anwendungen[Bearbeiten]

Hauptanwendungen von Transport-Reaktions-Simulationen liegen im Bereich der Geochemie und der Baustofftechnologie. Die Geochemie nutzt das Verfahren zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Gesteinen bzw. Böden und den darin befindlichen Lösungen. Die Baustofftechnologie nutzt das Verfahren zur Untersuchung von Korrosionsprozessen von Bauteilen aus porösen Baustoffen. Entsprechende Simulationen werden jedoch auch in der Verfahrenstechnik und anderen Bereichen eingesetzt.

Weblinks[Bearbeiten]

Belege[Bearbeiten]

  1. a b c d Schmidt-Döhl, F.: Materialprüfung im Bauwesen. Fraunhofer irb-Verlag, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8167-8747-1.
  2. EQ3/6-Übersicht. Lawrence Livermore National Laboratory, USA, abgerufen am 3. November 2012 (PDF; 422 kB).
  3. a b PHREEQC-Übersicht. U.S. Geological Survey, abgerufen am 3. November 2012.
  4. GEM-Selektor-Übersicht. Paul Scherrer Institut, Schweiz, abgerufen am 3. November 2012.
  5. a b c d e Schmidt-Döhl, F.: Ein Modell zur Berechnung von kombinierten chemischen Reaktions- und Transportprozessen und seine Anwendung auf die Korrosion mineralischer Baustoffe. In: Schriftenreihe des Instituts für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der TU Braunschweig, Heft 125, 1996, ISBN 3-89288-104-9, zugleich: Braunschweig, TU, Dissertation, 1996.
  6. a b Rigo, E.: Ein probabilistisches Konzept zur Beurteilung der Korrosion zementgebundener Baustoffe durch lösenden und treibenden Angriff. In: Schriftenreihe des Instituts für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz, Heft 186, 2005, ISBN 3-89288-169-3, zugleich: Braunschweig, TU, Dissertation, 2005.
  7. Bruder, S.: Adaptives Modell der Dauerhaftigkeit im Zuge der Überwachung von Betonbauwerken. In: Schriftenreihe des Instituts für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz, Heft 196, 2007, ISBN 978-3-89288-178-0, zugleich: Braunschweig, TU, Dissertation, 2006.