| Name | Von | Bis |
|---|---|---|
| Herr Dipl.-Ing. Nils Abel | 04/12 | 07/15 |
| Herr Harun Alemyar, M.Sc. | 02/16 | 04/19 |
| Frau Dr.-Ing. Yvonne Algayer | 11/08 | 06/13 |
| Herr Dr.-Ing. Philip Biessey | 10/11 | 04/15 |
| Herr Dr.-Ing. Jost Brinkmann | 04/17 | 12/20 |
| Frau Dr.-Ing. Gordana Cvetanoska | 12/12 | 12/16 |
| Herr Novin Darvishsefat, M.Sc. | 08/16 | 07/19 |
| Herr Dr.-Ing. Benedikt Dercks | 07/09 | 12/12 |
| Herr Dr.-Ing. Moritz Dippel | 11/10 | 02/15 |
| Frau Dr.-Ing. Nazanin Entesari | 10/09 | 02/15 |
| Herr Dr.-Ing Mark Hapke | 04/15 | 06/18 |
| Frau Dr.-Ing. Corinna Hecht | 03/11 | 12/15 |
| Frau Dr.-Ing. Jasmin Kemper | 06/07 | 04/10 |
| Frau Dr.-Ing. Manuela Kopatschek | 07/11 | 06/13 |
| Frau Dr.-Ing. A. Katharina Lesniak | 08/14 | 11/17 |
| Herr Prof. Dr.-Ing. Stefan Lier | 01/13 | 01/17 |
| Herr Dipl.-Ing. Stephan Müller | 07/11 | 06/15 |
| Frau Dr.-Ing. Sarah Paul | 09/13 | 12/16 |
| Frau Dr.-Ing. Johanna Pfaff | 10/10 | 02/15 |
| Frau Dr.-Ing. Ana Radnjanski | 10/11 | 06/15 |
| Herr Arnulf Reitze, M.Sc. | 05/17 | 12/20 |
| Frau Dr.-Ing. Iris Rieth | 06/16 | 12/18 |
| Frau Dr.-Ing. Kathrin Rodermund | 12/08 | 06/12 |
| Frau Dr.-Ing. Linda Schlusemann | 02/12 | 06/16 |
| Frau Dr.-Ing. Carolin Stegehake | 07/14 | 03/17 |
| Frau Dr.-Ing. Laura Sengen | 03/15 | 12/18 |
| Herr Dr.-Ing. Felix van Holt | 10/14 | 03/18 |
| Herr Dr.-Ing. Dominik Wörsdörfer | 04/12 | 09/15 |
| Herr Dr.-Ing. Guanghua Zheng | 01/09 | 04/13 |
| Herr Henrik Fasel, M.Sc. | 12/17 | 09/21 |
| Herr Dr.-Ing. Felix Herrmann | 05/18 | 10/21 |
| Frau Anna-Lena Schindel, M.Sc. | 03/2018 | 02/2022 |
| Frau Christin Theßeling, M.Sc. | 08/2018 | 03/2022 |
| Herr Dominik Plate, M.Sc. | 04/2018 | 06/2022 |
| Herr Jan-Niklas Denker M.Sc. | 04/2019 | 12/2022 |
| Frau Prof. Dr.-Ing. Julia Riese | 07/2012 | 09/2023 |
| Herr Bastian Bruns, Dr.-Ing. | 11/2017 | 10/2023 |
| Frau Wibke Leushacke, M.Sc. | 03/2020 | 12/2023 |
| Frau Amelie Merkel, M.Sc. | 10/2020 | 08/2024 |
Frau Amelie Merkel, M.Sc.
10/2020 – 08/2024
Reduzierung der klimarelevanten Prozessemissionen durch die
verbesserte Auslegung von strukturierten Packungskolonnen
Produktionsprozesse der chemischen Industrie beinhalten
energieintensive Verfahrensschritte wie die Destillation/Rektifikation und
Absorption/Desorption zur Trennung und Reinigung von Prozessströmen. Diese
Kolonnen besitzen zur Steigerung der Trenneffizienz Einbauten in Form von
Packungen. Somit wird eine große Phasengrenzfläche und ein intensiver Kontakt
zwischen der im Gegenstrom geführten Gas- und Flüssigphase gewährleistet.
Nachteil der Packungskolonnen ist die meist ungenaue Vorhersagbarkeit der Stofftrennleistung,
wodurch für einige Stoffsysteme eine hohe Unsicherheit bei der Auslegung
entsteht. Zur Kompensation der Unsicherheit werden Sicherheitsaufschläge
verwendet, die zu unnötig hohen Energie- und Ressourcenverbräuchen führen.
Innerhalb des BMBF-Projekts ReProvAP soll basierend auf
Betriebsdaten, experimentellen Ergebnissen, Simulationen und einer
neuentwickelten Miniaturmesszelle eine neue Auslegungsmethodik für
Packungskolonnen entwickelt werden. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf
nicht-idealen Stoffsystemen, die z.B. eine erhöhte Viskosität, einen hohen
Wasseranteil oder weitsiedende Eigenschaften aufweisen.
An der Ruhr-Universität Bochum wird eine neue Messzelle im
Miniaturmaßstab entwickelt, die die kleinste trenntechnisch realistische
Einheit darstellt. Mit einem möglichst geringen Hold-up sollen Parameter
bezüglich des Stofftransports und der Fluiddynamik bestimmt werden. Nach der
Inbetriebnahme der Messzelle steht die destillative Trennung eines definierten
Benchmark-Systems im Vordergrund, wodurch dann eine Übertragbarkeit der
Messzelle auf Kolonnen im Technikums- und Industriemaßstab geprüft wird. Die Messzelle
stellt so ein Werkzeug zur verbesserten Auslegung großskaliger Packungskolonnen
dar, das langfristig in der Industrie getestet und eingesetzt werden soll.
03/2020 – 12/2023
Experimentelle Untersuchungen zur fluiddynamischen Auslegung von Hochleistungstrennböden auf Basis einer miniaturisierten Messzelle
Die Zerlegung synthetischer oder natürlicher Produkte in ihre Einzelkomponenten stellt in der chemischen Industrie die zentrale Aufgabe für Kolonnen zur Absorption, Destillation und Rektifikation dar. Stets wachsende Anforderungen an die Prozessanlagen hinsichtlich steigender Flexibilisierung und Umstrukturierung zu deutlich höheren Anteilen fluktuierender Stromerzeugung erfordern eine deutliche Anpassung des zulässigen Lastbereichs. Zur Gewährleistung energieeffizienter Anlagen – auch im starken Unterlastbereich – sind optimale Strömungsverhältnisse innerhalb der Kolonnen unumgänglich.
Gerade im Hinblick auf die fluiddynamischen Größen auf Kolonnenböden mit Hochleistungsventilen – insbesondere bei der Verwendung von Fixed- und Push-Valves – fehlen verlässliche Auslegungstools und experimentellen Daten. Im Rahmen eines AiF-Projektes werden in Zusammenarbeit mit der TU München und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf Werkzeuge und Methoden entwickelt, die eine standardisierte Auslegung neuer Hochleistungsböden ermöglichen (s. https://www.hzdr.de/coltray/de/start.html).
An der Ruhr-Universität Bochum wird ein miniaturisierter Versuchsstand zur Untersuchung der fluiddynamischen Größen begaster Einzelventile und Ventilgruppen entwickelt. Neben Messungen zum lokalen Strömungsfeld, Entrainment, Durchregnen und Fluten wässriger Systeme wird auch der Einsatz organischer Stoffsysteme ermöglicht. Derartige Untersuchungen liefern Informationen zu Interaktionen zwischen den Ventilen und lassen Rückschlüsse auf die Übertragbarkeit der im Rahmen des Projektes entwickelten Werkzeuge und Methoden auf weitere Stoffsysteme zu.
07/2012 – 09/2023
Flexibilität und Dynamik in der Verfahrenstechnik
Die chemische Industrie ist zunehmend volatilen Randbedingungen unterworfen. Neben zunehmend schwankenden Absatzmärkten steigt auch die Volatilität hinsichtlich der Rohstoff- und Energieströme, die für den Betrieb der Prozesse benötigt werden. Grund für die sich wandelnden Randbedingungen ist das Bestreben, die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen und Energieträgern zu minimieren.
Vor allem die großskaligen und in der Regel kontinuierlich betriebenen Prozesse der chemischen Grundstoffindustrie sind nicht ohne weiteres in der Lage, auf diese neuen Randbedingungen reagieren zu können. Oft sind die Arbeitsbereiche der konventionellen Apparate zur Stoffumwandlung und Stofftrennung limitierend für einen dynamischen Betrieb innerhalb weiter Kapazitätsgrenzen. Zudem sind viele Katalysatoren sehr empfindlich gegenüber Schwankungen in der Feedzusammensetzung. Dies steht in Konflikt mit der zunehmenden Einsatzmenge von biobasierten Rohstoffen mit regional und saisonal schwankender Qualität.
Im Rahmen der Forschungsarbeiten werden Möglichkeiten für eine Flexibilisierung der Apparate untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Apparaten zur Stoffumwandlung im Downstream Processing. Mit Hilfe von Modellierung und Simulation werden die entwickelten Apparatekonzepte untersucht und anschließend für ihren Einsatz bei den oben genannten Randbedingungen bewertet.
11/2017 – 10/2023
Bewertungsmethoden zur Integration von Flexibilität in das Anlagendesign
Bislang sind viele chemische Produktionsanlagen für einen kostenoptimierten, vordefinierten Betriebsbereich und auf eine bestimmte Absatzmenge ausgelegt. Diese Form der Betriebsführung kann auf langfristige Sicht eine Barriere für die zunehmende Volatilität der chemischen Industrie bilden. Entwicklungen wie das sogenannte Demand-Side-Management erfordern ein Umdenken weg von einer starren Betriebsführung hin zu einem flexiblen, dynamischen Betrieb von chemischen Prozessen.
Der Begriff der Flexibilität beschreibt dabei die Fähigkeit eines Systems auf mögliche Änderungen in der Systemumgebung reagieren zu können, während technische Spezifikationen und Grenzen eingehalten werden. Flexibilität ist eine intrinsische Eigenschaft chemischer Prozesse, die von den Teilsystemen und Randbedingungen der Prozesse abhängt. Die Bewertung der Prozesse und die konsequente Weiterentwicklung der Teilsysteme ist unerlässlich, um die starren Betriebsführungen aufzubrechen. Dies gilt insbesondere für kontinuierlich betriebene Großprozesse.
In diesem Zusammenhang werden Ansätze entwickelt, welche Flexibilität im Design kontinuierlich betriebener Anlagen berücksichtigen und bewerten. Dies soll mittels Modellierung und Optimierung von chemischen Prozessen erreicht werden.
04/2018 – 06/2022
Die Auslegung strukturierter Packungskolonnen basiert bis heute auf Vorversuchen im Labor- und Technikumsmaßstab. Die benötigten Versuche werden in kleineren Kolonnen durchgeführt als die auszulegenden Industriekolonnen und unterliegen damit einem anderen Wandflächen- zu Packungsvolumen-Verhältnis. Für die Rektifikation wird beispielsweise der Scale-up basierend auf Messungen von etablierten Stoffsystemen, wie Chlorbenzol/Ethylbenzol, durchgeführt. Das eigentliche Stoffsystem kann jedoch von diesem Stoffsystem unterschiedliche Eigenschaften bezüglich des Fließ- oder Siedeverhaltens aufweisen. Deswegen besteht großes Interesse, Versuche vor dem Scale-up mit dem technischen Stoffsystem durchzuführen und gleichzeitig möglichst geringe Mengen von diesem einzusetzen.
Das führt dazu, dass die Messergebnisse an Labor- und Technikumskolonnen und die daraus abgeleiteten Auslegungsparameter Einflüsse aufweisen, die beim Scale-up die Unsicherheit erhören. Um diesen Unsicherheiten entgegenzuwirken werden erhöhte Sicherheitszuschläge veranschlagt, die dazu führen, dass Kolonnen oft überdimensioniert ausgelegt werden oder der Zeitaufwand erhöht wird, um die Sicherheitszuschläge durch mehr Experimente zu reduzieren. Eine tatsächliche Verringerung der Sicherheitszuschläge ist allerdings nur möglich, wenn störende Effekte, wie z.B. der Wandeinfluss, und Übertragungsfaktoren durch Standardtestsysteme entfallen.
Davon ausgehend wurde am Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik eine Messzelle entwickelt, die den Kernbereich von Kolonnen mit strukturierten Packungen abbilden soll und damit den Wandeinfluss minimiert. Innerhalb dieser Messzelle können Parameter für ein 3D-Rate-based-Model bestimmt werden, um damit den Scale-up zu ermöglichen. Neben der Gewinnung von fluiddynamischen Parametern ist es ebenso notwendig Stofftransportparameter abzuleiten und damit den Auslegungsprozess zu optimieren.
08/2018 – 03/2022
Simulationsgestützte Auslegung von Mehrphasenapparaten mithilfe der Compartment-Modellierung
03/2018 – 02/2022
Entwicklung einer skalenübergreifenden Prozessentwicklungsmethodik zur Planung und Entwicklung ressourceneffizienter Prozesse
Die Geschwindigkeit der Markteinführung ist entscheidend für den wirtschaftlichen Erfolg neuer Produkte. Um diese Geschwindigkeit zu erhöhen, muss entlang der gesamten Prozesskette die Entwicklungszeit verkürzt werden. Durch die Änderungen der Anforderungen des Marktes, besitzen die Prozesse immer kürzere Lebenszyklen und müssen effizienter und flexibler gestaltet werden. Auch im Bereich der Pharma-, Fein- und Spezialchemikalien, wo die Produktion bisher im Batchbetrieb erfolgt, werden heute kleinskalige, kontinuierliche Prozesstechnologien angestrebt. Der Einsatz innovativer Produktionstechnologien, umgesetzt in einem flexiblen, modularen Apparatekonzept, ist ein wesentlicher Schritt diese Anforderungen zu erfüllen. Dabei stellt die Auswahl des geeigneten Apparatekonzepts eine große Herausforderung dar.
Das Ziel des BMWi-geförderten Projektes SkaMPi (Skalenübergreifende Methodik zur Planung und Entwicklung ressourceneffizienter Prozesse) ist es, eine Methode zur Entwicklung solcher kontinuierlicher Produktionsverfahren zu erarbeiten. Die neu zu entwickelnde Methode muss dabei auf der einen Seite die Anforderungen des Marktes für das zukünftige Produkt bzw. die Produkteigenschaften berücksichtigen, auf der anderen Seite aber auch die Charakteristiken des modularen Produktionsequipments einbeziehen.
05/2018 – 10/2021
Prozess- und reaktionstechnische Flexibilisierung von Power-to-Gas-Prozessen
Bedingt durch den stetig wachsenden Anteil an Erneuerbaren Energien im Stromsystem ändert sich das Erzeugungsmuster und die Verfügbarkeit von Strom. Zum Ausgleich zwischen Zeiten hoher und niedriger Stromverfügbarkeit werden deshalb Speichertechnologien benötigt. Kurz- und mittelfristig kann dies mit elektrischen Speichern, wie Kondensatoren oder sog. Batteriespeicher, erfolgen. Die derzeit einzige großtechnisch umsetzbare und skalierbare Möglichkeit zur längerfristigen Speicherung (Tage bis Monate) von Energie sind Power-to-Gas-(PtG)-Verfahren. In diesen Verfahren wird Wasser unter Einsatz elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, wobei der erzeugte Wasserstoff als Energieträger genutzt werden kann. Da die Infrastruktur für Erdgas weit ausgebaut ist und Methan hinsichtlich vieler Eigenschaften besser nutz- und handhabbar ist als Wasserstoff, kann die Methanisierung des Wasserstoffs mittels Kohlenstoffdioxid sinnvoll sein.
Vor diesem Hintergrund werden am Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik verschiedene Aspekte von PtG-Verfahren untersucht. Im Rahmen des Virtuellen Instituts „Strom zu Gas und Wärme“ werden dynamische Modelle aller Teilprozesse (Elektrolyse, Methanisierung, Kraft-Wärme-Kopplung und Power-to-Heat) entwickelt und zu einem Gesamtprozess verschalten. Die Modelle werden anhand realer Betriebsdaten der Forschungsanlage des Virtuellen Instituts validiert. Für den intermittierenden Betrieb ist die genaue Kenntnis des dynamischen Anlagenbetriebs unerlässlich. Die Modellentwicklung findet dabei mit Hinblick auf das Upscaling der Anlagen statt.
Der Methanisierungsprozess gilt als der die Flexibilität limitierende Teil der PtG-Kette. Deshalb finden weiterführende Untersuchungen zur Verbesserung der Dynamik der Methanisierung statt. Diese umfassen einerseits experimentelle Arbeiten zum Einsatz flexibilitätserhöhender prozess- und reaktionstechnischer Maßnahmen, andererseits werden dynamische und stationäre Simulationsstudien durchgeführt.
12/2017 – 09/2021
Experimentelle Untersuchung eines Apparatekonzepts für den flexiblen Betrieb konventioneller Trennkolonnen
Trennkolonnen stellen eine wichtige Unit Operation bei Herstellungsprozessen organischer und anorganischer Stoffe in der chemischen Grundstoffindustrie dar. Für die Produktion dieser Grundchemikalien wurde dabei bisher auf eine stationäre Energie- und Rohstoffversorgung gesetzt. Aufgrund der sich ändernden Energieinfrastruktur hin zu volatileren und schwankenden Energiequellen, sowie global stärker schwankenden Rohstoffmärkten werden heutzutage deutlich höhere Anforderungen an die Flexibilität chemischer Prozesse gestellt als es bisher der Fall war. Um einen chemischen Prozess flexibel zu gestalten, sodass Schwankungen in Rohstoffbereitstellung und der Energieversorgung abgefangen werden können, ist es notwendig, Trennkolonnen für einen maximal flexiblen Arbeitsbereich auszulegen.
Am Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik wird dafür ein Apparatekonzept entwickelt, mithilfe dessen Trennkolonnen flexibel betrieben werden können. Dabei wird auf ein Konzept zur Segmentierung einer Trennkolonne gesetzt, um den Arbeitsbereich einer Kolonne für unterschiedliche Anforderungen an die Kapazität flexibel anzupassen. Herausforderungen für den Entwurf eines solchen Konzepts, liegen dabei vor Allem in der Entwicklung neuartiger, bisher nicht beschriebener Segmentgeometrien.
Zur Bestimmung des Potentials einer solchen Trennkolonne wird im Rahmen der Untersuchungen eine flexibel betreibbare Trennkolonne entworfen, mithilfe derer Betriebs- und Arbeitsbereiche experimentell untersucht werden.
05/2017 – 12/2020
Entwicklung eines flexiblen Destillationsapparats für den Einsatz in kontinuierlichen Mehrproduktanlagen
In einem dynamischen Markt mit steigender Individualisierung und Diversifizierung der Produkte hängt die Wirtschaftlichkeit von Produktionsprozessen immer stärker von deren Fähigkeit ab, flexibel und schnell auf sich ändernde Anforderungen reagieren zu können. Da bestehende Anlagenkonzepte entweder sehr effizient aber unflexibel bezüglich Produktionsmengen (World-Scale Anlagen) oder Kapazitätsflexibel aber ineffizient in der Ressourcen- und Zeitausbeute (Multi-Purpose Anlagen) sind, wurde in verschiedenen Forschungsprojekten das Konzept modularer Produktionsanlagen untersucht (u.a. Factory F3 und ENPRO).
Dass modulare Anlagen in der Lage sind, die Hürden konventioneller Anlagen zu überwinden, konnte in diesen Arbeiten bestätigt werden. Für eine erfolgreiche Umsetzung auf Produktionsebene fehlt bislang allerdings adäquates Apparateequipment, um jede Unit Operation mit flexiblen Modulen realisieren zu können. Besonders im Bereich der Downstream-Prozesse besteht weiterhin Forschungs- und Entwicklungsbedarf.
Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wird ein modular aufgebauter flexibler Destillationsapparat entwickelt. Das Apparatedesign wird unter besonderer Berücksichtigung der Anforderungen an die destillative Auftrennung, die bei der Produktion von Spezialchemikalien gestellt werden, entworfen. Angelehnt an klassische Plattenwärmeübertrager, die charakteristisch für einen modularen Apparat sind, basiert das Design des zu untersuchenden Apparates auf einen Fallfilm über eine ebene Platte. Für einen Zugriff auf die Fluiddynamik und deren flexibler Anpassung in Abhängigkeit der Eigenschaften des aufzutrennenden Stoffsystems wird der Apparat mit einem änderbaren Neigungswinkel konstruiert. Der Einfluss der Apparategeometrie und des Neigungswinkels auf die Fluiddynamik und Trenneffizienz wird im Laufe der Forschungsarbeit sowohl an einer Versuchsanlage experimentell untersucht, als auch mit Hilfe von numerischen Modellen analysiert.
04/2017 – 12/2020
Effiziente Phasenführung in Packungskolonnen
Füllkörper- oder Packungskolonnen werden industriell im für die Gas-Flüssig-Trennung, insbesondere im Bereich der Absorption, Desorption und Rektifikation eingesetzt. Regellose Schüttungen aus einzelnen Füllkörpern und strukturierte Packungselemente stellen die am meist verbreitetsten Füllelemente dar. Zum einen dienen die Packungen der Erhöhung der Stoffaustauschfläche und der Verweilzeit, zum anderen der möglichst gleichmäßigen Verteilung von Flüssigkeits- und Gasphase innerhalb der Kolonne. Insbesondere die Fehlverteilung der Flüssigphase führt in Packungskolonnen zu einer Abnahme der Trennleistung und erschwert den Scale-up vom Technikums- in den industriellen Maßstab. Eine Fehlverteilung kann z.B. durch Einlaufeffekte bei der Flüssigkeitsverteilung, aber auch durch die natürliche Verteilung der Packung zustande kommen. Im inneren der Packung wird weiterhin zwischen „Small-Scale“ Maldistribution (z.B. Bachbildung) und „Large-Scale“ Maldistribution (z.B. Randgängigkeit) unterschieden.
Am Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik werden hierzu Experimente und Simulationsstudien über den Einfluss der Phasen(fehl)verteilung auf die Hydrodynamik und den Stofftransport an Absorptionskolonnen im Technikums Maßstab durchgeführt. Die Verteilung wird mit Hilfe von Gittersensoren charakterisiert. Der Schwerpunkt der Forschung liegt insbesondere auf dem Einfluss der Stoffeigenschaften auf die Verteilungscharakteristik. Hierbei soll zunächst der Fokus auf die Viskosität gelegt werden.
04/2012 – 07/2015
Verbundprojekt : Tropfenentstehung und Reduzierung in Stoffaustauschapparaten (TERESA)
Tropfenmitriss in Kolonnen ist unerwünscht, vermindert die Trennleistung und führt zu schlechterer Produkt Qualität sowie Instabilität des Betriebs. Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung des Tropfenmitrisses in Destillationskolonnen. Am Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik liegt der Fokus auf dem Feedbereich sowie der Feedleitung. Unter bestimmten Bedingungen entsteht ein zweiphasiger Feed, der viele mitgerissene Tropfen in der Kolonne erzeugt. Dazu wird die Leistung verschiedener Einbauten im Feedbereich eines Versuchsstandes untersucht. Die mitgerissenen Tropfen werden mit Hilfe einer lokalen und integralen Methode charakterisiert. Die erhaltenen Ergebnisse sollen für das Scale-Up in größere Kolonnen verwendet werden.
The joint project : droplet entrainment and droplet reduction in mass transfer equipment (TERESA)
The entrainment phenomena in columns is undesired and causes reduction in separation efficiency, a worse product quality and operation instability. The goal of this project is to investigate, the entrainment at different sections of a distillation column. At the laboratory of fluid separations, the focus is the feed section of a distillation column and the feed pipeline. At certain conditions in the feed pipe, a two phase feed occurs and generates significant amount of droplets. In a test rig, several inlet devices for the purpose of droplet separation will be tested and their performance will be investigated. Additionally, entrainment in terms of droplet size and amount will be characterized with the help of a local and an integral method. The obtained results will be used for the purpose of scale up in columns with a larger diameter.
02/2016 – 04/2019
Desublimation als alternatives Trennverfahren
Der Phasenübergang vom gasförmigen Zustand in die feste Phase wird Desublimation genannt. Der direkte (Case A) und indirekte (Case B) Desublimationsvorgang kann anhand des Phasendiagrammes am Beispiel Wasser veranschaulicht werden.
Unter der Trennoperation „Desublimation“ versteht man das Verfahren, bei der eine Komponente ohne Hilfsmittel durch Kühlung aus einem Gasgemisch abtrennbar ist. Im Vergleich zur Absorption entfällt der energieaufwändige Reinigungsschritt für die Waschmittelaufarbeitung, im Vergleich zur Destillation kann in Hinblick auf temperatursensitive Produkte auf einem wesentlich geringeren Temperaturniveau abgetrennt werden.
Aufgrund der nur eingeschränkt vorhandenen Kenntnisse zu Stoffdaten und Auslegungsgrundlagen, wird großtechnisch lediglich die Reindarstellung des Phthalsäureanhydrids umgesetzt. Die Ziele des Projektes konzentrieren sich daher auf die genaue Durchdringung der komplexen Vorgänge bei der Desublimation. Im Fokus des Projektes stehen die folgenden Forschungsfragen:
Zur Umsetzung dieser Ziele ist neben den experimentellen Untersuchungen der Stoffsysteme H2O/Luft und PSA/N2 die Ausarbeitung der Auslegungsgrundlage von Desublimationsprozessen nötig.
Quelle DFG-Projektantrag: Desublimation als alternatives Trennverfahren, 2017
In Zusammenarbeit mit der Firma Ehrfeld Mikrotechnik GmbH wird die systematische ein- und mehrphasige Charakterisierung von millistrukturierten, prozessintensivierten Reaktoren in theoretischen und praktischen Arbeiten durchgeführt. Mit dem Ziel die Einsatzgebiete und Anwendungsmöglichkeiten für die entsprechenden Apparatekonzepte zu untersuchen.
Das im Fokus der Untersuchungen stehende Konzept ist die Miprowa®-Apparatetechnologie. Bei dem Miprowa® handelt es sich um einen fluidisch temperierten Reaktor basierend auf dem Grundkonzept eines klassischen Rohrbündelwärmeübertragers. Mit den beiden maßgeblichen Unterschieden der rechteckigen Produktkanälen, die eine bessere Wärmeübertragung ermöglichen, und den statischen Mischelementen, die zur Prozessintensivierung in die Produktkanäle eingeschoben werden können. Während die Rechteckgeometrie das Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis vergrößert, richten die Mischelemente die Strömung gleich – zugunsten von engeren und symmetrischeren Verweilzeitspektren. Dies führt in einphasigen Systemen zu einer effektiveren Vermischung sowie einer optimalen thermischen Kontrolle und in mehrphasigen Reaktionssystemen zu einer zusätzlichen Emulgierung.
Am Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik wurden bereits systematische Untersuchungen zur Evaluierung der Einflüsse von Prozess- und Designparametern des untersuchten Apparatetyps bezüglich der einphasigen hydrodynamischen und wärmetechnischen Charakteristik durchgeführt.
Die nun erfolgende Charakterisierung mehrphasiger Reaktionssysteme ermöglicht eine Bewertung der intensivierten Stoffübertragungsleistung, beispielsweise zwischen kontinuierlicher und dispergierter Phase, durch den Einschub der statischen Mischelemente. So können Grundlagen zur modellgestützten Beschreibung ein- und mehrphasiger Reaktionssysteme geschaffen werden, die sowohl eine geeignete Auswahl von Skalierungsansätzen als auch die Definition von Einsatzgebieten ermöglichen sollen.
01/2016 – 12/2018
Simulationsgestützte Auslegung von Blasensäulen mithilfe eines Compartmentmodells
Die Herausforderung bei der Modellierung von Gas-Flüssig-Reaktoren im industriellen Maßstab besteht in der mathematischen Abbildung der ablaufenden eng gekoppelten Einzelphänomene innerhalb des Reaktors. Ein typischer in der Industrie eingesetzter Gas-Flüssig-Reaktor ist die Blasensäule, welche zum Beispiel für chemische Synthesen, Fermentationen und als chemische Absorptionsapparate eingesetzt wird. Blasensäulen haben einerseits den Vorteil der einfachen Bauweise, andererseits stellt sich eine komplexe Hydrodynamik ein. Diese ist mit den Phänomenen des Stofftransportes, des Wärmetransportes und der Reaktionstechnik verknüpft.Die Compartmentmodellierung mehrphasiger Reaktoren bietet in diesem Zusammenhang einen Lösungsansatz, der zum einen die oben genannten Einzelphänomene integriert und zum anderen bei vertretbarem Rechenaufwand eine radiale Auflösung bietet. Im Vergleich dazu ist die Verknüpfung der Einzelphänomene bei einer CFD-Modellierung, welche die Hydrodynamik detailliert abbilden kann, mit deutlich mehr Aufwand verbunden. Mithilfe von Dispersionsmodellen ist zwar eine Modellierung von Hydrodynamik, Stoffübergang, Reaktion und Wärmetransport bei vergleichbar geringem Rechenaufwand möglich, jedoch lassen sich die Phänomene aufgrund der komplexen Hydrodynamik von Blasensäulen nicht radial auflösen.
Ziel unserer Forschung der letzten Jahre ist es, sowohl eine technische als auch eine industrielle Blasensäule mithilfe eines validierten Compartmentmodells radial aufgelöst zu beschreiben. Dafür wurden Methoden zur Generierung von Korrelationen und Parameter, welche auch die Compartmentgeometrie, radiale Dispersion und Stoffübergangskoeffizienten beinhalten, für das genutzte Modell entwickelt. Im Rahmen dieses Forschungshabens sollen ergänzend Methodiken zur experimentellen Ermittlung der Kinetik validiert werden. Es erfolgen abschließend Untersuchungen zum Einfluss der Wahl der Modelltiefe, sowie der Genauigkeit der Reaktionskinetik auf die simulative Auslegung von Blasensäulen.
04/2015 – 10/2018
Methodenentwicklung zur Auslegung von Packungskolonnen auf der Basis von Miniaturmesszellen
Im Rahmen der Prozesse zur Aufbereitung von fluiden Stoffströmen nehmen Rektifikation und Absorption einen besonders hohen Stellenwert in der chemischen Industrie ein. Unter den eingesetzten Apparaten erlangen Packungskolonnen immer größere Bedeutung, welche durch gezielte Gegenstromführung von Gas und Flüssigkeit an gewellten strukturierten Blechen hohe Trennleistungen bei geringem Druckverlust erreichen. Die bisher angewendeten Auslegungsmethoden für Packungskolonnen basieren i.d.R. auf Modellen mit erheblichen Unsicherheiten, was dazu führt, dass große Sicherheitsaufschläge bei der Kolonnenauslegung gemacht und Experimente im Technikumsmaßstab durchgeführt werden müssen.
Zukünftig sollen Experimente in sogenannten Miniaturmesszellen bereits verlässliche Aussagen über das Verhalten einer großtechnischen Anlage als Alternative zu Technikumsversuchen erlauben. Dadurch würde für die thermische Trenntechnik die Grundlage für eine neue Technologieplattform geschaffen, da eine experimentelle Absicherung im Labormaßstab mit niedrigem Aufwand und kleinen Stoffmengen ermöglicht würde.
In einem gemeinsamen DFG-Projekt der TU Berlin und der Ruhr-Universität Bochum soll zu diesem Zweck eine Miniaturmesszelle entwickelt werden. Während Forschungsarbeiten in Berlin in einem geringen Maßstab (ebene Platte) beginnen und stets größere Geometrien anstreben, wird in Bochum ausgehend von einer strukturierten Packung der Maßstab solange verkleinert, wie ebenfalls grundlegende Aussagen über das reale Trennverhalten von Packungskolonnen ableitbar sind. Durch eine Sicherstellung möglichst großer Übereinstimmungen (identischer Packungstyp, gleiches Stoffsystem etc.) sollen sich die Maßstäbe der beteiligten Projektpartner treffen und die erzielten Erkenntnisse übertragbar sein.
Das Gesamtziel des Forschungsvorhabens ist es, das hydrodynamische und das Trennleistungsverhalten einer großtechnischen Packungskolonne auf der Grundlage miniaturisierter Versuchsanordnungen und einer geeigneten Modellierung abbilden zu können.
07/2014 – 03/2017
Faseroptische Temperaturprofilmessungen in Festbettreaktoren zur Evaluierung von Modellierungskonzepten
Zur Realisierung einer effizienten Reaktionsführung werden in der chemischen Industrie ca. 90 % aller Produktionsprozesse unter Verwendung eines Katalysators durchgeführt. Dabei wird zwischen homogener und heterogener Katalyse unterschieden, wobei die heterogene von besonderer Bedeutung ist:
– Vorteilhaft ist die unkomplizierte Abtrennung und Aufreinigung des Katalysators, da sich Reaktanten und Katalysator in unterschiedlichen Phasen befinden.
– Herausfordernd ist die Charakterisierung derartiger Reaktionssysteme aufgrund von komplexen Wärme- und Stofftransporteffekten, die derzeit nicht vollständig aufgeklärt sind.
Aufgrund ihrer zumeist starken Exothermie werden heterogen katalysierte Gasphasenreaktionen in Rohrbündelreaktoren durchgeführt, die aus bis zu 25000 Festbettreaktoren bestehen. Die Auslegung und Optimierung von Festbettreaktoren erfolgt auf Basis mathematischer Modelle. Dazu sind detaillierte Kenntnisse der Wärme- und Stofftransportvorgänge unerlässlich, die auf experimentellen Untersuchungen basieren.
Im Rahmen dieser Forschungsarbeiten erfolgen experimentelle Untersuchungen im Labormaßstab, indem ein Rohr des Rohrbündels betrachtet wird. Diese Untersuchungen sind auf eine möglichst exakte Messung von Temperaturen bzw. Temperaturprofilen angewiesen, die eine hohe örtliche (und zeitliche) Auflösung aufweisen. Herkömmliche Messsysteme, wie z.B. Thermoelemente, werden dieser Anforderung nur gerecht unter einem hohen apparativen Aufwand und einer damit einhergehenden enormen Änderung der Schüttungsstruktur, Strömung und des Wärmetransports innerhalb des Apparates. Eine vielversprechende, innovative Messmethode stellt hingegen die faseroptische Temperaturmessung dar, bei der Temperaturen an zahlreichen Messstellen entlang einer Sensorfaser gleichzeitig und nahezu in Echtzeit erfasst werden. Die Basis dieser Messtechnik bildet eine lichtleitende Glasfaser (Sensorfaser). Diese ist an einer Ausleseeinheit angeschlossen und sendet Licht in die Sensorfaser, in der sich die Eigenschaften des Lichts unter Änderung der Temperatur verändern. Diese spezifischen Änderungen werden in der Ausleseeinheit anhand des zurückgestreuten Lichts registriert und in die vorliegende Temperaturverteilung umgerechnet. Dabei kann zwischen diskret und quasikontinuierlich messender Sensorik unterschieden werden.
Außerdem werden theoretische Untersuchungen durchgeführt, in denen ein quasihomogenes Kontinuumsmodell eines Festbettreaktors entwickelt wird und auf Basis der experimentellen Daten eine Evaluierung bzw. Anpassung der verwendeten Transportgleichungen und Randbedingungen erfolgt.
Insgesamt tragen die wissenschaftlichen Untersuchungen dazu bei, die komplexen Wärmetransportvorgänge bei der heterogenen Katalyse aufzuklären, so dass eine simulationsgestützte Bestimmung reaktionskinetischer Parameter sowie eine realistischere Abschätzung des Reaktorverhaltens bei dynamischen Betriebsbedingungen möglich ist.
10/2014 – 03/2018
Anwendung eines neuartigen Zellenmodelles als Auslegungswerkzeug für gepackte Kolonnen
Gas-Flüssig-Kontaktapparate nehmen eine Schlüsselrolle in der chemischen Industrie ein. Für einen intensiven Wärme- und Stoffaustausch ist eine große Kontaktfläche der Phasen von entscheidender Bedeutung. Daher werden bei Destillations- und Absorptionsprozessen bevorzugt im Gegenstrom betriebene Kolonnen eingesetzt, welche durch trennwirksame Einbauten eine große Kontaktfläche erzeugen können. Konventionell werden Trennböden, strukturierte Packungen oder regellose Füllkörperschüttungen verwendet. Während Trennböden einen hydrodynamischen sowie stofflichen Ausgleich auf jeder Stufe erzeugen, weisen Packungen und Füllkörper diese Eigenschaften nicht auf. Der Vorteil dieser Einbauten liegt in einem effizienteren Betrieb im Vergleich zu Trennböden.
Werden Packungen oder Füllkörper verwendet, wird die Flüssigphase i.d.R. mehrfach gesammelt und wiederverteilt, um eine gleichmäßigere Phasenverteilung über die Höhe der Kolonne und einen Konzentrationsausgleich zu erzeugen. Die Ausführung von wiederverteilenden Kolonnenelementen wurde in mehreren Forschungsarbeiten behandelt und findet in unterschiedlichen Formen Anwendung in der Praxis.
Ungeachtet dieser Maßnahmen bleibt die ungleiche Phasenverteilung der häufigste Grund für eine verminderte Trennleistung gepackter Kolonnen. Begründet liegt dies in einer mangelhaften Grundlage zur Vorhersage der Ausprägung der Verteilung. So werden meist empirische Regeln zur Notwendigkeit von Wiederverteilern verwendet, welche meist keine Wirkmechanismen der Verteilungsausprägung berücksichtigen, sondern sich an Randbedingungen wie Kolonnen- sowie Füllkörperdimensionen oder z.B. Trennstufenanzahlen orientieren.
Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung eines Modellansatzes, welcher Art und Ausmaß der Phasenverteilung beschreibt. Hierzu wird ein neuartiges Zellenmodell entwickelt, welches einen verstärkt phänomenologischen Ansatz verfolgt. Zur Modellentwicklung, Verifizierung und Validierung werden experimentelle Daten aufgenommen. In einer Absorptionskolonne (di = 288 mm) werden Charakterisierungsmessungen mit Hilfe eines Gittersensors durchgeführt. Durch den Einsatz eines Spurenstoffes kann die Strömung der Flüssigphase lokal und zeitabhängig untersucht werden. Ziel ist ein effizienteres Upscale sowie Empfehlungen für den Einsatz von wiederverteilenden Elementen auf Grundlage einer verbesserten Beschreibung der Distribution.
08/2014 – 11/2017
Strukturierte Blasensäulen
In der chemischen und biotechnologischen Industrie stellen Blasensäulen einen wichtigen Gas-Flüssig-Reaktortyp zur Produktion und Weiterverarbeitung einer Vielzahl von Basischemikalien dar. So werden über Fermentationen, Hydrierungen, Oxidationen und Chlorierungen große Tonnagen an Zwischen- und Endprodukten hergestellt.
Aufgrund ihrer einfachen Bauweise ermöglichen Blasensäulen einen wartungsarmen und entsprechend kostengünstigen Betrieb. Demgegenüber führt das Fehlen interner Strukturen jedoch unter anderem zu Blasenkoaleszenz und damit zu radial varianten Geschwindigkeitsprofilen, lokal verschiedenen Phasenanteilen sowie starker Rückvermischung innerhalb der Säule. Eine präzise Vorhersage der Hydrodynamik oder ein risikoarmes Scale-up vom technischen zum Produktionsmaßstab ist somit kaum möglich.
Um diese Problematik zu adressieren, werden am Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik strukturierende Einbauten in Blasensäulen eingesetzt. Diese Einbauten sollen durch stetiges Aufbrechen und Neuverteilen der Blasen zu einer engeren Blasengrößenverteilung führen. Die daraus resultierende über Säulenhöhe und -querschnitt homogenere Phasenverteilung und flachere Geschwindigkeitsprofile sollen auf der Grundlage von möglichst kleinskaligen Versuchsaufbauten die Prognose der Hydrodynamik und damit des Reaktorverhaltens für den Produktionsmaßstab ermöglichen.
Zur experimentellen Charakterisierung der Phasenverteilung wird in dieser Forschungsarbeit insbesondere die Gittersensormesstechnik eingesetzt. Hiermit können die lokalen Phasenanteile zeitlich hochaufgelöst über den Säulenquerschnitt ermittelt werden. Die so gewonnen Erkenntnisse werden in ein Compartment-Modell implementiert, um letztendlich eine fundierte Auslegungsgrundlage für Blasensäulenreaktoren zu schaffen.
01/2013 – 01/2017
Wandlungsfähige Produktions- und Logistikkonzepte für die Prozessindustrie
Modulare Fabrikkonzepte halten seit zwei Dekaden Einzug in die Maschinenbau- und Automobilindustrie zusammen mit Konzepten zu schlanken und flexiblen Produktionssystemen. In der Chemie-, Verfahrens- und Pharmaindustrie, die sich den gleichen Herausforderungen des gestiegenen globalen Wettbewerbs und der Unsicherheit der Marktverläufe sowie der zunehmenden Produktdifferenzierung und kürzeren Produktlebenszyklen stellen, bilden diese Konzepte jedoch weitgehend Neuland.
Forschungsschwerpunkt stellt daher die Übertragung von Lean-Prinzipien und im Speziellen von modularen Produktionskonzepten auf die Prozessindustrie dar. Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen, das Verhalten modularer Anlagen im Produktionsverbund und innerhalb der Supply Chain sowie die Produktionsplanung und –steuerung solcher Anlagen stellen Inhalte auf diesen neuen Forschungsgebiet dar. Aus einer ganzheitlichen Betrachtung heraus werden Rückschlüsse auf optimale Entwicklungsprinzipien und Eigenschaften von modularen Chemieanlagen gezogen.
Ziel ist es, flexibler auf Marktveränderungen reagieren zu können und im gewünschten Produktmix kontinuierlich, bestandsminimal und bedarfsgetreu zu produzieren.
09/2013 – 12/2016
Modulare Trenntechnik
Konventionelle thermische Trennverfahren zeichnen sich durch eine präzise Auslegung auf den optimalen Betriebspunkt aus. Für die Produktion gerade in Mehrproduktanlagen der Spezial- und Feinchemie sowie der Pharmazie, welche ihre Produktion den vorliegenden Marktturbulenzen anpassen müssen, ist diese Auslegung auf einen präzisen Punkt hinderlich. Zudem versuchen die Unternehmen der Chemieindustrie der steigenden Wettbewerbsintensität mit einem höheren Produktportfolio und kürzeren Produktlebenszyklen entgegenzutreten.
Die Produktion der Spezial- und Feinchemie ist geprägt von kleinen häufig wechselnden Produktionsmengen in hoher Qualität oftmals den Kundenwünschen angepasst. Eine kosteneffiziente Erfüllung dieser Anforderungen soll in Zukunft die modulare Verfahrenstechnik ermöglichen. Als Lösung wird der Einsatz von modularisierten, kontinuierlichen Produktionsprozessen diskutiert. Durch die Modularisierung der Apparate kann eine einfache Anpassbarkeit der Produktionskapazitäten gewährleistet werden.
Forschungsschwerpunkt ist die modulare Absorption. Durch die vertikale Segmentierung der Kolonne kann die Kapazität und Trennleistung durch hinzu- oder abschalten einzelner Segmente (Module) variiert werden. Das Absorptionsmodulsystem kann so flexibel auf Änderungen des Durchsatzes und/oder der Trennleistung reagieren
12/2012 – 12/2016
Verbundprojekt: Kontinuierliche Prozesse für Polymerspezialitäten mit Hilfe neuartiger Apparatekonzepte (KoPPonA)
Spezialitätenprodukte, wie beispielsweise Lösungspolymerisate mit niedrigen bis mittleren Molmassen für den Einsatz im Pharma-, Kosmetik- und Waschmittelbereich, gewinnen stetig an Bedeutung. Die Produktion von diesen Polymerspezialitäten mit Jahrestonnagen zwischen 500 und 15.000 jato findet meistens in konventionellen Rührkesselreaktoren statt. Diese konventionellen Prozesse besitzen eine sehr geringe Energieeffizienz. Zusätzlich erfolgt der Nachbehandlungsschritt zur Absenkung des Gehalts an unerwünschten Komponenten, der nach der Polymerisation sich anschließt, vorwiegend durch das energieintensive Dampfstripping. Deshalb besteht die Notwendigkeit die konventionelle Herstellung von Spezialitäten durch energieeffiziente kontinuierliche und skalierbare Polymerisationsverfahren zu ersetzen.
Am Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik werden verschiedenen Trennverfahren zur Entfernung der Restmonomere aus kleinvolumigen Polymerprodukten betrachtet. Wesentliche Randbedingung ist dabei im Sinne eines schnellen Markteintritts neuer Polymerprodukte, eine möglichst Zeit- (und Kosten-)effizente Übertragung des Aufarbeitungsverfahrens aus dem Labormaßstab in den Produktionsmaßstab zu gewährleisten.
Im Rahmen der Forschungsarbeiten werden die Möglichkeiten der Verwendung von skalierbaren kontinuierlichen Trennverfahren für mittelviskose Polymerlösungen erforscht und bewertet. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf die Membranverfahren und die überkritische Extraktion gelegt. Dabei werden experimentelle Untersuchungen zur Trennleistung und Trenneffizienz verschiedener Membranmodulen in einer Pilotanlage durchgeführt. Parallel zu der Bewertung der Membrantechnologie wird die überkritische Extraktion als eine Alternative zur Entfernung der Restpolymeren in Betracht gezogen. Auf Grund der Löslichkeitsuntersuchungen von Monomer in der überkritischen Phase, entsteht die Möglichkeit die Extraktionstrenneinheit zu entwickeln und grob auszulegen.
02/2012 – 06/2016
BMBF-Verbundprojekt (FKZ: 01RC1102): Chemische Prozesse – Multiskalenmodellierung von Mehrphasenreaktoren (Multi-Phase)
Die Produktion chemischer Grundstoffe und deren chemische und biochemische Weiterverarbeitung erfolgt in den meisten Fällen in Flüssigkeiten mit dispergiertem Gas und/oder Feststoff. Als wichtiger Reaktortyp für die Dispergierung von Gas in Flüssigkeit mit evtl. suspendiertem Feststoff gelten Blasensäulen. Rund 30 Millionen Tonnen Zwischen-und Endprodukte werden pro Jahr in Blasensäulen hergestellt. Eine verbesserte Auslegung industrieller Mehrphasenreaktoren, wie beispielsweise Blasensäulen, birgt ein enormes Potenzial zur Energie- und Ressourcenschonung und einen signifikanten Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele.
Zurzeit erfolgt die Auslegung und Optimierung von Mehrphasenreaktoren mit halbempirischen Modellen und entsprechend nur schwer skalierbarer Anpassungsfaktoren. Insbesondere in Hinblick auf technische Stoffsysteme und Anlagen im Pilotmaßstab fehlt die Datenbasis.
Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden experimentelle Untersuchungen zur Phasenverteilung und Rückvermischung in Blasensäulen durchgeführt: Aufbau einer Blasensäule im Technikumsmaßstab (DN 300), Einsatz der Gittersensormesstechnik in der Blasenströmung, Untersuchung des querschnittsgemittelten Gasgehalts. Bestimmung von Rückvermischungseffekten in der Flüssigphase, Ermittlung der Blasengrößen sowie der Blasenaufstiegsgeschwindigkeiten.
04/2012 – 07/2015
BMBF-Verbundprojekt (FKZ: 01RC1102): Chemische Prozesse – Multiskalenmodellierung von Mehrphasenreaktoren (Multi-Phase)
Die Produktion chemischer Grundstoffe und deren chemische und biochemische Weiterverarbeitung erfolgt in den meisten Fällen in Flüssigkeiten mit dispergiertem Gas und/oder Feststoff. Als wichtiger Reaktortyp für die Dispergierung von Gas in Flüssigkeit mit evtl. suspendiertem Feststoff gelten Blasensäulen. Rund 30 Millionen Tonnen Zwischen-und Endprodukte werden pro Jahr in Blasensäulen hergestellt. Eine verbesserte Auslegung industrieller Mehrphasenreaktoren, wie beispielsweise Blasensäulen, birgt ein enormes Potenzial zur Energie- und Ressourcenschonung und einen signifikanten Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele.
Zurzeit erfolgt die Auslegung und Optimierung von Mehrphasenreaktoren mit halbempirischen Modellen und entsprechend nur schwer skalierbarer Anpassungsfaktoren. Insbesondere in Hinblick auf technische Stoffsysteme fehlt die Datenbasis. Die verwendeten Ansätze basieren meist nur auf Wasser/Luft Systemen. Hinzu kommt, dass auch die CFD zurzeit noch keinen validierten Modellansatz bietet zur gleichzeitigen Beschreibung von Strömung, Stofftransport und Reaktion. Es ist daher notwendig einen Brückenschlag zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung zu schlagen um hieraus Scale-up Strategien zu entwickeln die eine modellgestützte Auslegung großtechnischer Anlagen ermöglichen. Dabei ist es unabdingbar, skalenübergreifende Effekte zu berücksichtigen und eine dimensionsunabhängige Beschreibung zu schaffen.
Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden CFD gestützte Shortcut-Modelle zur besseren Auslegung von Blasensäulen erstellt. Dabei werden die komplexen hydrodynamischen Strömungsstrukturen, basierend auf den CFD-Simulationen, in einzelne Compartments eingeteilt, um sichere und schnellere Auslegungsgrundlage zu Beschreibung des Apparatedesigns zu ermöglichen
03/2011 – 12/2015
Phasenverteilung und -dispergierung in neuartigen Reaktor-Katalysatorsystemen
Neuartige und innovative Einbauten zur Phasenkontaktierung in mehrphasigen Reaktoren rücken seit einigen Jahren zunehmend in den Fokus der Forschung und der Industrie, da infolge einer unzureichenden Verteilung der Phasen die Effizienz eines Reaktors sinkt. Im Rahmen des Projekts für energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse der Helmholtz-Energie-Allianz wird systematisch der Einsatz von maßgefertigten Strukturen untersucht.
Dazu werden hydrodynamische Untersuchungen in stark strukturierten Blasensäulen (periodische offenzellige Strukturen) und Rieselbetten mit keramischen Schwämmen als Katalysatorträger durchgeführt. Es wird u.a. die innovative Gittersensormesstechnik verwendet. Ziel ist es, Verteileigenschaften der eingebauten Strukturen zu ermitteln und daraus die Anforderungen an Initial- und Wiederverteiler abzuleiten.
Die Untersuchungen in stark strukturierten Blasensäulen beinhalten die Entwicklung und Verifizierung einer Berechnungsmethode zur Bestimmung eines optimalen Strukturierungsgrads, der sowohl einen freien Blasenaufstieg als auch ideale Stofftransport- und Dispergierungseigenschaften aufweist. Es wird der Einfluss der Strukturkonfiguration auf die hydrodynamischen Eigenschaften in Abhängigkeit von Stoffeigenschaften, Strömungsgeschwindigkeiten und Einbauhöhe untersucht. Sowohl integrale Messungen werden durchgeführt als auch radiale Profile ermittelt, die Aufschlüsse über die radiale Dispergierungsgüte geben. Diese werden anhand von radialen Stofftransportmessungen bestätigt.
Die Untersuchungen in Rieselbetten mit keramischen Schwämmen als Katalysatorträger beinhalten die Auswahl eines geeigneten bzw. modifizierten Verteilers. Die Phasenverteilung über die Reaktorlänge wird betrachtet und die Verteileigenschaft unterschiedlicher Reaktor-Katalysator-Kombinationen mittels hydrodynamischer Messungen ermittelt, so dass sich jeweils eine optimale Anordnung von Wiederverteilern ergibt. Der Einfluss von Fehlverteilungen auf die Reaktoreffizienz wird mit Hilfe einer mehrskaligen Reaktormodellierung bestätigt.
10/2011 – 04/2015
In Kooperation mit der Firma Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH wird die systematische Charakterisierung von millistrukturierten, prozessintensivierten Reaktoren in theoretischen und praktischen Arbeiten durchgeführt. Ziel ist die Entwicklung von Skalierungsstrategien und die Ermittlung von Einsatzgebieten und –möglichkeiten für entsprechende Apparatekonzepte.
Der Fokus liegt bei diesen Untersuchungen insbesondere auf der Miprowa®-Apparatetechnologie. Bei dem Miprowa® handelt es sich um einen fluidisch temperierten Reaktor mit rechteckigen Prozesskanälen, die eine bessere Wärmeübertragung im Rohrbündelapparat ermöglichen. Darüber hinaus können statische Mischelemente in die Prozesskanäle eingefügt werden, um die prozessseitige Wärmeübertragung zu intensivieren. Durch den Einsatz dieser statischen Mischelemente erfolgt dazu eine Vergleichmäßigung des Geschwindigkeitsprofils zugunsten enger Verweilzeitspektren und eine optimierte Vermischung.
Es werden systematische Untersuchungen zur Evaluierung der Einflüsse von Prozess- und Designparametern des untersuchten Apparatetyps bezüglich der hydrodynamischen und wärmetechnischen Charakteristik durchgeführt. Aus den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen einphasiger Reaktionssysteme können Zusammenhänge zwischen fluiddynamischen Phänomenen und prozessintensivierenden Eigenschaften gefunden und Rückschlüsse auf das resultierende Reaktorverhalten gezogen werden. Auf diesem Wege werden Grundlagen zur modellgestützen Beschreibung einphasiger Reaktionssysteme geschaffen, die sowohl eine geeignete Auswahl von Skalierungsansätzen als auch die Definition von Einsatzgebieten ermöglichen sollen.
07/2011 – 06/2015
Entwicklung robuster Scale-up Strategien für Ab- und Desorptionsprozesse
Die fortlaufenden Optimierungsversuche und gesteigerten Anforderungen an die chemische Produktion resultieren in einem Paradigmenwechsel der Produktionskonzepte. Erhöhte Ansprüche wie eine höhere Ressourceneffizienz, variable Produktionskapazität oder verkürzte Produktlebenszyklen müssen durch neue Lösungsansätze realisiert werden, die die klassischen Produktionsprozesse optimieren oder gar ersetzen. Vielversprechende Vorschläge zur Begegnung dieser Anforderungen liegen in der Standardisierung und Modularisierung.
Die Auslegung thermischer Trennverfahren beruht auf theoretischen Berechnungen mittels rigoroser Stofftransportmodelle, die durch experimentelle Untersuchungen hinsichtlich Stofftransportparametern gestützt werden. Speziell bei Ab- und Desorptionsprozessen stellt sich hierbei eine hohe Diskrepanz in den Ergebnissen der Experimente verschiedener Autoren heraus, die aufgrund divergenter Versuchskonfigurationen zu erklären sind. Im Rahmen dieser Forschungstätigkeit soll eine standardisierte experimentelle Methode zur Ermittlung von Stofftransportparametern in der Ab- und Desorption entwickelt werden, die die Qualität und Reproduzierbarkeit experimenteller Ergebnisse erhöht und somit die Dimensionierung thermischer Trennverfahren optimiert.
Basierend auf den Erkenntnissen möglicher Einflussfaktoren soll weiterführend ein modulares Konzept für einen neuartigen Absorptionsapparat konzipiert und umgesetzt werden. Durch die gegebene Flexibilität bereits etablierter modularer Apparatekonzepte, wie Plattenwärmetauscher oder Filterpressen, z. B. hinsichtlich Entwicklungszeit oder auch Produktionskapazität, stellt eine Adaption modularer Technik einen attraktiven Lösungsansatz für etablierte thermische Trenntechniken dar.
Beide Forschungsschwerpunkte zielen auf eine vereinfachte Vergrößerung thermischer Trennverfahren vom Technikums- in den Produktionsmaßstab ohne vorherrschende Skaleneffekte und eine Anpassung der Apparatekonzepte an die neuen Anforderungen der chemischen Produktion.
Die Umsetzung der Forschungsarbeit erfolgt durch experimentelle Untersuchungen hinsichtlich hydrodynamischem Verhalten und Trennleistung, sowohl an konventionellen Ab- und Desorptionskolonnen, als auch an einem rechteckigen Absorptionsmodul. Unterstützt werden die Experimente durch simulationsgestützte Strömungsuntersuchungen, die, neben der Optimierung, ebenfalls eine Verschaltung der modularen Apparate zu einem System aufzeigen sollen.
04/2012 – 09/2015
Wandlungsfähige Produktionskonzepte in der Prozessindustrie: Ein Evaluierungsframework zur Investitionsentscheidungsunterstützung
Die Märkte der Prozessindustrie unterliegen, insbesondere im Bereich der Fein- und Spezialchemikalien, einer Änderung hin zu steigenden Produktdifferenzierungen, verkürzten Produktlebenszyklen und zunehmenden Nachfrageunsicherheiten. Um sich diesen Anforderungen zu stellen, werden neue Produktionskonzepte entwickelt, die den Eigenschaften Wandlungsfähigkeit, kurze Time-to-Market sowie Produktionseffizienz entsprechen.
Diese aufkommenden Produktionskonzepte weisen grundlegend veränderte Rahmenbedingungen bezüglich des Investitionsentscheidungsprozesses im Vergleich zu konventionellen Produktionsprozessen auf. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines Evaluierungsframeworks, welches die Möglichkeit bietet, verschiedene Produktionskonzeptalternativen zu vergleichen und auf dieser Basis eine ganzheitliche Entscheidungspräferenz aufzuzeigen.
10/2011 – 06/2015
Lösungsmittelcharakterisierung der reaktiven Aminlösungen in der absorptiven CO2-Abscheidung aus Prozessgasströmen
Obwohl die reaktive Absorption mit Amin-basierten Lösungsmittel eine der bewährtesten Technologien zur CO2-Entfernung aus Prozessgasen darstellt, ist sie immer noch mit einigen Nachteilen wie einem hohen Regenerationsbedarf und einer geringen Lösungsmittelstabilität verbunden. Infolgedessen wird in der Forschung die Untersuchung von neuen und effektiveren Lösungsmitteln vorangetrieben, um eine Effizienzsteigerung des Prozesses zu erzielen. Im Allgemeinen sollen die verwendeten Aminlösungen eine schnelle Absorptionsrate, einen geringen Regenrationsaufwand und eine gute Stabilität besitzen. Da diese einzelnen Amin-Eigenschaften sich gegenseitig meist widersprechen und in einem Lösungsmittel nicht kombinierbar sind, hat das Mischen von unterschiedlichen Aminen verstärktes Interesse gewonnen.
Um ein Amin-Blend mit einer guten Performance zu erhalten und diese evaluieren zu können, soll der Einfluss der einzelnen Amine im Blend berücksichtig werden. Aus diesem Grund werden wässrige Lösungen mit EDA und AMP einzeln und als Blends bezüglich ihrer Absorptions-/ Desorptionsperformance sowie ihres Degradations- und Korrosionsverhaltens untersucht. Zunächst wird das optimale Mischungsverhältnis von EDA und AMP hinsichtlich der wichtigen Prozessparameter ermittelt und mit dem Referenzamin MEA verglichen um anschließend das Degradations- und Korrosionsverhalten dieses vielversprechenden Blends sowie der einzelnen Amine unter dem Einfluss verschiedener Prozessparameter (CO2-Beladung, Temperatur und Amin-Konzentration) zu untersuchen. Schließlich wird der Einfluss von Gasverunreinigungen wie SOx und Metallzusätzen auf die Lösungsmittelstabilität untersucht.
10/2010 – 02/2015
Die Projektierung neuer oder die Modifikation bestehender Verfahren erfordert die Absicherung von theoretischen Erkenntnissen über experimentelle Untersuchungen. Der Untersuchungsumfang und somit der Zeit- und Kostenaufwand bis zur tatsächlichen Realisierung des Prozesses wird maßgeblich durch den Scale-Up-Faktor (Verfahrensgröße) bestimmt.
Im industriellen Maßstab wird die Prozesskombination aus reaktiver Absorption und thermischer Regeneration bedingt durch große Abgasströme häufig in breiten Kolonnendurchmessern realisiert. Bei der Prozessentwicklung stützt man sich meist auf aufwendige Ergebnisse aus Technikums- oder Pilotanlagen bei denen der Hauptfokus auf der Beeinflussung wichtiger Prozessparameter durch das eingesetzte Lösemittel liegt. Die Mini-Plant-Technologie ist eine kostengünstige und akzeptierte Alternative um frühzeitig Aussagen über das Prozessverhalten treffen zu können, findet jedoch bei der Projektierung reaktiver Gaswäschen bisher kaum Anwendung. Durch eine gezielte Kombination aus kinetischen Untersuchungen, Mini-Plant Experimenten und Simulationsstudien ließe sich der Scale-Up Aufwand verkürzen und somit die Prozessentwicklung kostengünstiger gestalten.
Im Rahmen der Forschungsarbeit werden die Möglichkeiten und Grenzen des verkürzten Scale-Up-Verfahrens für reaktive Gas-Wäschen analysiert und bewertet. Als Beispielprozess dient die reaktive CO2-Absorption in wässrigen Amin-Lösungen, die sich durch eine aufwendige Prozessentwicklung auszeichnet. Die am Lehrstuhl projektierte Mini-Plant Anlage, welche den gekoppelten Absorptions-Desorptions-Prozess mit allen wesentlichen Verfahrensschritten abbildet, dient der Untersuchung des Prozessverhaltens und der Extraktion wichtigster Prozessparameter.
Auslegungsparameter die nicht mit Hilfe der Mini-Plant-Untersuchungen abgedeckt werden, können über eine eigens erstellte Simulation in Aspen Plus® für höhere Scalenbereiche berechnet werden. Die für die Simulation entscheidenden kinetischen Parameter werden in eigenen Batch-Untersuchungen ermittelt und der Simulation implementiert.
10/2009 – 02/2015
Die Bedeutung von mikrostrukturierten Bauteilen wie Mikro- bzw. Millireaktoren ist in den letzten Jahren stark angestiegen. Mit der Minimierung der Abmessungen werden in Mikroreaktoren große Oberfläche zu Volumen Verhältnisse und kurze Stofftransportwege realisiert, die im Vergleich zu konventionellen Reaktoren einen besseren Wärme- und Stoffaustausch ermöglichen. Die Kombination aus intensivierten Wärme- und Stofftransport und kurzen Verweilzeiten verspricht Verbesserungen hinsichtlich Ausbeute und Selektivität sowie damit letztlich neue Wege zu neuen Produkten. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich um eine schnelle und strak exotherme Reaktion wie Polymerisation handelt.
Ein optimales Management der Wärme und des Stofftransports in einem teilweise hochviskosen Medien und von Reaktanden mit geringen Diffusionskoeffizienten sollte demnach zur einer verbesserten Prozesssteuerung und damit gezielteren Einstellung der Endpolymereigenschaften, z.B. einem geringen Polydispersitätsindex im Vergleich zur Batch Synthese führen.
In Rahmen dieser Forschungsarbeit sollen die Randbedingungen für Auslegung Mikrorohreaktoren geeignet für Polymerisationsreaktionen erforscht und demzufolge skalierbare Apparate für viskose Medien entwickelt werden.
11/2010 – 02/2015
Der Auslegung von Wärmeübertragern liegt in vielen Fällen die Anforderung einer produktschonenden Erwärmung bzw. Verdampfung von Prozessströmen zu Grunde.
In der Literatur besteht zu diesem Merkmal hauptsächlich qualitatives Wissen, während sich quantitative Untersuchungen aktuell auf die Behandlung biotechnologischer Systeme und Foulingraten an Wärmeübertrageroberflächen konzentrieren.
In den eigenen Untersuchungen wird ein Modellstoffsystem entwickelt, welches eine temperaturabhängige Degradationsreaktion aufweist. Es dient zur Quantifizierung des thermischen Stresses, welcher aus der Temperatur- und Verweilzeitverteilung innerhalb der Wärmeübertragergeometrie resultiert.
Der experimentellen Validierung der hier skizzierten Methode und des Modellstoffsystems gehen Simulationsstudien voraus, an Hand welcher Temperatur- und Verweilzeitverteilungen in den laminar durchströmten Doppelrohrwärmeübertragen verschiedener Geometrien, die im Laborversuchsstand eingesetzt werden, in Abhängigkeit von den Zielgrößen Beaufschlagung und eingetragenem Wärmestrom ermittelt werden.
Über den Forschungstätigkeiten steht die Vision, weithin gültige Modellvorstellungen zu bilden und Handlungsempfehlungen zu entwickeln, welche die Auslegungspraxis von Wärmeübertragern für temperatursensitive Produkte bereichern.
11/2008 – 06/2013
Untersuchung immobilisierter Amine für die CO2-Abtrennung
Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde in einem neuen Konzept ein Prozess unter Einsatz immobilisierter Amine für die Abtrennung von CO2 aus Prozessgasströmen entwickelt. Die Amine werden optimaler Weise auf einer Packung oder auf Füllkörpern fixiert, die in der Absorptionskolonne gleichzeitig als grenzflächenvergrößernde Einbauten eingesetzt werden können.
Mit Hilfe von Experimenten wurde das hydrodynamische Verhalten verschiedener Trägermaterialien untersucht. Zudem wurde die Adsorptionskapazität und die Regenerierbarkeit von verschiedenen Funktionalitäten auf verschiedenen Geometrien untersucht. Anschließend wurden aufbauend auf den experimentellen Ergebnissen Simulationsstudien zum Gesamtprozess durchgeführt, um Designparameter zu ermitteln. Ein Vergleich mit konventionellen gas-flüssig Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus Rauchgasströmen hat gezeigt, dass eine Abtrennung mittels immobilisierter Amine ökonomisch und energetisch eine Alternative darstellen kann.
07/2009 – 12/2012
Bewertung von mikrostrukturierten Trennapparaten für den Einsatz in modularen Chemiefabriken
Die Entwicklung in der chemischen Industrie ist seit jeher getrieben von dem Ziel Apparate und Prozesse zu optimieren, um den Einsatz von Rohstoffen, Hilfsstoffen oder Energie zu reduzieren und somit die Produktionskosten zu senken. Dieser Zwang wird allerdings zukünftig durch geänderte Rahmenbedingungen stärker und resultiert in höheren Ansprüchen an zukünftige Produktionskonzepte.
Die Mikroverfahrenstechnik ist in der Lage kontinuierliche, intensivierte, skalierbare und modulare Apparate zur Verfügung zu stellen. Die Lösungsstrategien (Prozessintensivierung, batch-to-conti, modulare Fabriken), mit denen die chemische Industrie zukünftigen Herausforderungen begegnen will, benötigen demnach diese neue Art von Apparaten.
Im Rahmen der Forschungsarbeiten sollen geeignete Apparatekonzepte für Trennoperationen in standardisierten, modularen Produktionsanlagen identifiziert und technisch bewertet werden.
Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf mikrostrukturierten Apparatekonzepten zur Gas-Flüssig-Kontaktierung.
07/2011 – 06/2013
Umsetzung des Anstauprinzips in Füllkörperkolonnen – Untersuchungen zur Hydrodynamik und Trennleistung
Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Umsetzung des Anstauprinzips in Anstaufüllkörperschichtungen. Dazu wurden in ausführlichen experimentellen Untersuchungen die Hydrodynamik und die Trennleistung unterschiedlicher Aufbauvarianten von Anstaufüllkörperschichtungen ermittelt, welche sich in der verwendeten Füllkörperkombination (Füllkörpergröße und -bauart) und dem konstruktiven Aufbau unterschieden. Eine ausführliche Betrachtung der Messunsicherheiten und die zugehörige Fortpflanzungsrechnung, eine systematische Untersuchungen zum Einfluss des Aufbaus auf die Charakteristik sowie zur Maldistribution wurden durchgeführt und ausgewertet. Abschließend wurden zwei Ansätze zur mathematischen Beschreibung der Fluiddynamik von Anstaufüllkörperschichtungen entwickelt, angewendet und bewertet.
01/2009 – 04/2013
12/2008 – 06/2012
Skalierbare mikrostrukturierte Mischer für chemische Synthesen
Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurden verschiedene mikrostrukturierte Mischer hinsichtlich Druckverlust, Energiedissipationsrate und Mischzeit sowohl experimentell als auch mit Hilfe von Strömungssimulationen charakterisiert.
Ziel der Arbeiten war es, durch die umfassende Charakterisierung der Apparate eine Potentialanalyse zur Skalierbarkeit mikrostrukturierter Mischer durchzuführen um so einen sicheren Einsatz über mehrere Skalen hinweg zu gewährleisten. Dazu ist vor allem eine konstante Mischzeit über alle Skalen essentiell.
Zur besseren Charakterisierung der Mischzeit wurde zudem eine Methode entwickelt, die es erlaubt, die Mischzeit direkt aus experimentellen Daten zu bestimmen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass mikrostrukturierte Mischer vor allem für einphasige, stark exotherme Reaktionen geeignet sind, da sie eine sehr homogene Fluidkontaktierung sowie eine sehr gute Wärmeabfuhr haben.
06/2007 – 04/2010
Untersuchung zur Kinetik und Stoffübertragung bei der reaktiven CO2-Absorption
Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurden verschiedene Amine und Aminblends als Alternative zum bereits weitgehend untersuchten Standardamin MEA für die Absorption von CO2 aus Kraftwerksabgasen untersucht.
Ziel der Arbeiten war es, durch eine Untersuchung der Absorptionsgeschwindigkeit und der zyklischen Stabilität der Amine und Aminblends die Energieintensität, Korrosion und Degradation im Vergleich zum MEA zu verbessern. Auf diese Art können der Energiebedarf und damit die Kosten im Gesamtprozess verringert werden. Die Untersuchungen wurden mit Hilfe einer Doppelrührzelle durchgeführt.
Es konnte gezeigt werden, dass die Aminblends unter reiner CO2 Atmosphäre höhere Absorptionsraten, CO2-Beladungen und Stoffübergangskoeffizienten aufweisen als MEA. Allerdings ist gleichzeitig unter Anwesenheit von realen Gaskomponenten (z.B. SO2) eine höhere Degradationsneigung festgestellt worden.