rührkessel - Aachener Verfahrenstechnik - RWTH Aachen University

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Bei der AVT - Thermischen Verfahrenstechnik werden verschiedene thermische Trennverfahren in der Forschung behandelt. Besondere Schwerpunkte liegen im Bereich der Flüssig-Flüssig- Verfahren wie der Extraktion und der Phasentrennung sowie der Rektifikation. Eine immer größer werdende Rolle spielen auch Themen, die sich mit der Nachhaltigkeit von Prozessen beschäftigen. Im Folgenden werden die Projektgruppen kurz vorgestellt. Tailor-Made Fuels from Biomass (TMFB) Entscheidend für den Einsatz ionischer Flüssigkeiten im Rahmen des Exzellenzclusters ”Tailor- Made Fuels from Biomass” bei der Auflösung der Biomasse ist, dass diese aufgrund des hohen Preises wiederverwendet werden und daher eine Abtrennung von Verunreinigungen aus den ionischen Flüssigkeiten notwendig ist. Hierfür bietet sich unter anderem die Extraktion an. Daher werden geeignete Extraktionsmittel für unterschiedliche Klassen von Verunreinigungen systematisch untersucht. Ionische Flüssigkeiten besitzen verglichen mit organischen Lösungsmitteln sehr hohe Viskositäten, was bei der Auslegung der Verfahren berücksichtigt werden muss. Mit dem ”Atomic Force Microscope” (AFM), siehe Abb. 7, das der Aachener Verfahrenstechnik seit diesem Jahr zur Verfügung steht, werden zudem Untersuchungen zur Wechselwirkung zweier Tropfen auch für hochviskose und durch Feststoffe verunreinigte Systeme durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen am AFM bilden dann die Basis für die Auslegung technischer Abscheider bei der Extraktion der Verunreinigungen. Extraktion Die Extraktion bietet eine gute Möglichkeit, Komponenten effizient aus Gemischen abzutrennen. Sie ist im Vergleich zu anderen Verfahren aufgrund der milden Bedingungen potenziell kostengünstiger und bildet daher einen Schwerpunkt der Forschung des AVT.TVT. Ein Thermische Verfahrenstechnik wesentlicher Fokus dieser Forschung ist die Erweiterung des Simulationsprogrammes ReDrop, ein Programm, das am AVT.TVT ursprünglich für die Auslegung von pulsierten Kolonnen entwickelt wurde. Ziel ist es, auch die Fluiddynamik und die Trennleistung gerührter Kolonnen vorherzusagen. Um ReDrop auch für die Reaktivextraktion nutzen zu können, wurde ReDrop zunächst erweitert und Kolonnenexperimente mit dem Testsystem Zink + D2EHPA zur Validierung durchgeführt. Da in Zukunft chemische Verbindungen zunehmend aus biobasierten Prozessen gewonnen werden und diese Systeme Viskositäten von mehreren 10mPas besitzen, ist die Auslegung von Kolonnen für hochviskose Systeme ebenfalls eine große Herausforderung. Zurzeit werden daher Untersuchungen zum Viskositätseinfluss in Einzeltropfenmesszellen durchgeführt. Abb.7: Atomic Force Microscope Dispersionstrennung Nach vielen verfahrenstechnischen Prozessen liegt ein Gemisch aus zwei flüssigen Phasen vor, bei dem die eine Phase in Form von Tropfen in der anderen Phase dispergiert ist. Ein weit verbreiteter Apparat zur Trennung dieser Dispersionen ist der Abscheider. Mit einfachen Laborversuchen und einem am Lehrstuhl entwickelten Programm können industrielle Abscheider zuverlässig ohne zusätzliche Technikumsversuche ausgelegt werden. Auch der Einfluss von Einbauten kann im Modell berücksichtigt wer- Rührkessel - Die AVT im Blick Thermische Verfahrenstechnik 12
den. Derzeit wird untersucht, wie die Ermittlung des Koaleszenzverhaltens durch standardisierte Laborversuche auf Extraktionskolonnen übertragen werden kann. Im Rahmen eines AIF- Projektes wird zudem der Einfluss fester Verunreinigungen, die zur Bildung von Mulm führen, untersucht und eine Heuristik zur Erkennung, Verminderung und Behandlung entwickelt. Molekulare Thermodynamik Die Beschreibung thermophysikalischer Stoffdaten ist die Basis für die Auslegung verfahrenstechnischer Prozesse. Deren experimentelle Bestimmung ist kosten- und zeitintensiv und zudem nicht immer einfach möglich. Die molekulare Modellierung und Simulation ist ein alternativer Ansatz, der sich durch eine hohe Vorhersagekraft auszeichnet. Die Forschung zur Molekularen Thermodynamik fokussiert sich auf drei Projekte. Im Rahmen des Exzellenzclusters TMFB werden molekularthermodynamische Methoden genutzt, um thermodynamische Eigenschaften von neuartigen Kraftstoffen und Zwischenkomponenten vorhersagen zu können. Da die bisherigen G E - Modelle für Verbindungen mit mehreren funktionellen Gruppen häufig nur ungenaue Ergebnisse liefern, wird ein G E - Modell entwickelt, das für die einzelnen Moleküle dreidimensionale Ladungsverteilungen berücksichtigt. Außerdem werden Trennverfahren im molekularen Maßstab simuliert (8). Abb.8: Methode zur molekularen Simulation von Trennverfahren HumTec-EET Der anstehende Rohstoffwandel, der Übergang von fossilen hin zu biogenen Rohstoffen, stellt zukünftig eine große Herausforderung gerade für die Verfahrenstechnik dar. Beim Übergang hin zu biobasierten Stoffen müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden: Zum einen sind neue Syntheserouten für die Herstellung der Basischemikalien zu identifizieren, zum anderen ist die Konkurrenz zur Nahrungsmittelherstellung zu prüfen. Um diese Aspekte quantitativ abzubilden, wird im Rahmen des HumTec-EET-Projektes (Human Technology Centre, Ethics for Energy Technology) durch die Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder gefördert ein Modell entwickelt, das den Einfluss politischer Entscheidungen auf den globalen Ressourcenverbrauch, die globale Nahrungsmittelversorgung und das Klima abbildet. Dieses Modell soll interdisziplinär zusammen mit Elektrotechnikern und Philosophen entwickelt werden, wobei die Philosophen auf Basis des von den Ingenieuren erstellten Modells eine ethische Bewertung von zukünftigen Energieversorgungsszenarien durchführen. Modellbasierte Experimentelle Analyse Die Modellbasierte experimentelle Versuchsplanung (MEXA) ist nicht nur ein wichtiges Instrument, um die Anzahl der Experimente für die Bestimmung von unbekannten Modellparametern zu reduzieren, sondern kann auch eingesetzt werden, um konkurrierende Modelle zu diskriminieren. Auch hier werden wie bei der Parameterschätzung die experimentellen Fehler und die Sensitivitäten der Modellausgaben bezüglich ihrer Parameter berücksichtigt. Ein besonderes Anwendungsfeld bietet diese Methode bei der Phytoextraktion. Aufgrund der natürlichen Komplexität der Pflanzen ist eine Vielzahl von Modellen nötig, um das Verhalten bei der Verarbeitung wie z.B. der Extraktion zu beschreiben. Hier bietet MEXA die Möglichkeit, die Versuche mit dem besten Modell bei optimalen Bedingungen zu planen und durchzuführen. Ein weiteres Anwendungsbeispiel für MEXA aus dem Bereich der Reaktivextraktion ist die Wahl der Geometrie einer modifizierten Nitsch-Messzelle, die für die Bestimmung von Kinetikparametern verwendet wird. Mit MEXA konnte die Zelle so optimiert werden, dass Messungen 10-fach effizienter möglich sind. 13 Thermische Verfahrenstechnik Rührkessel - Die AVT im Blick
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