Prototyp einer CAD-integrierten Software für die Konstruktion von elektrochemischen Reaktoren im 3-D-Design

Elektrochemische Reaktoren werden in vielen Bereichen der Industrie, von der Plattierung bis hin zur Abfallverarbeitung, verwendet. Um ihre Leistungsfähigkeit zu maximieren, müssen die entsprechenden elektrochemischen Prozesse quantifiziert und das Reaktordesign beurteilt werden. Diese zwei Ziele standen im Mittelpunkt des DESINER-Projekts (Development and Evaluation of Industrial Electrochemical Reactors) zur Entwicklung und Bewertung von industriellen elektrochemischen Reaktoren.

Das Projekt führte zur Entwicklung der PIRODE-Software, die elektrochemische Reaktionsmechanismen quantifiziert. Hierbei handelt es sich um Reaktionen, die in elektrolytischen Lösungen statt finden, in denen eine Elektrode eingetaucht wird, und den Wechsel der Ladung zwischen den Ionen in der elektrolytischen Lösung und der Elektrode einschließen.

Die Software nutzt unter anderem die Finite-Elemente-Methode, die ein mathematisches Modell eines kontinuierlichen Zustands erzeugt. Der Nutzer kann damit Reaktionen zwischen mehreren Ionen und mit verschiedenen Arten von Elektroden modellieren. Alle Arten von elektrochemischen Reaktionen können mit dem Verfahren modelliert werden.

Außerdem wurde mit der ELSY3D-Software ein Simulationsinstrument entwickelt, dass die aktuelle Dichte in elektrochemischen Reaktoren berechnen und eine vollständige 3D-Simulation der kathodischen Schutzkonstruktion erstellen kann. Kenntnisse über die Verteilung der Elektronendichte erlauben eine direkte Beurteilung des Schutzniveaus einer metallischen Oberfläche.

Ein kathodischer Schutz verhindert die Korrosion (den Verlust von Elektronen) von metallischen Strukturen, die in Kontakt mit ionischen Umgebungen wie Meereswasser und Böden kommen. Das wird durch die Nutzung von Schutzanoden oder eines von einer externen Stromquelle bereitgestellten Fremdstroms erreicht.

Mit der Software können mehrere metallische Strukturen in 3D modelliert werden. Der Import und die Gestaltung von Strukturen und Anoden wird von CAD gestützt. Für die Bildung von Modellen können sowohl Schutzanoden als auch Fremdströme verwendet werden. Außerdem nutzt ELSY3D die Grenzelement-Methode, die die Komplexität der Modelle vereinfacht, indem sie nur Informationen von den interessanten Grenzpunkten verwertet und leistungsfähige numerische Löser nutzt. Die Ergebnisse können mit Hilfe der MasterSuite/Open Inventor Bibliotheken auf dem Bildschirm betrachtet werden.

Da elektrochemische Prozesse für eine Vielzahl von Industrien von grundlegender Bedeutung sind, wird die Verbesserung der beteiligten Prozesse zu weitreichenden Vorteilen in Bereichen wie der Plattierung von Halbleitern oder der Mikrobearbeitung führen.