Kurzfassungen
27. – 29. März 2019 · Potsdam
Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Membrantechnikwww.processnet.org/FVT_MEM2019
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Inhaltsverzeichnis
Kurzfassungen der Vorträge
Plenarvorträge ab Seite 3
Fluidverfahrenstechnik ab Seite 5
Membrantechnik ab Seite 37
Kurzfassungen der Poster
Fluidverfahrenstechnik ab Seite 63
Membrantechnik ab Seite 77
Recent advances in membrane technologies for biopharma applications
L. Villain¹; ¹ Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen/Deutschland
Due to its unique features, membrane technology is widely used in the
biopharmaceutical industry, including applications from process development to large
scale manufacturing of biotherapeutics like e.g. sterile filtration, clarification, initial
harvest, virus removal, protein concentration, buffer exchange, and chromatography.
This talk will provide an overview of established and emerging membrane based unit
operations and give an insight into recent advances in membrane technologies to
address the challenges associated with future biopharma manufacturing processes.
3
Fluidverfahrenstechnik Vorträge
4
Steuerung von Entrainment mittels bildoptischer Durchlichttechnik J. Schulz, H.-J. Bart
Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik, Technische Universität Kaiserslautern
In diesem Beitrag wird ein neuer Ansatz zur optischen Erfassung von Entrainment
durch eine auf unterschiedlicher Kolonnenhöhe einsetzbare Prozessmesssonde
vorgestellt (Abb. 1). Diese ist in der Lage über einer Trennstufe mitgerissene Tropfen
zu detektieren und online hinsichtlich Größe und Geschwindigkeit auszuwerten.
Somit wird eine Möglichkeit dargestellt Entrainment mittels optischer Bildmesstechnik
flexibel und schnell nachzuweisen und in künftigen Anwendungen gezielter zu
steuern. Die Eigenschaften des Entrainment in Abhängigkeit von radialer und axialer
Positionierung der Sonde wird hierbei einen weiteren Diskussionspunkt darstellen.
Das untersuchte DN 450 cold flow System ermöglicht das Entrainment am
Kolonnenkopf zu untersuchen und mit der anfallenden Menge an Entrainment,
gewonnen über eine Sammel- und Abscheidestufe zu vergleichen. Außerdem wird
im Rahmen der Diskussion dem Einfluss verschiedener Kolonneneinbauten
(Ventilböden frei/fest, Siebböden, strukturierte/regellose Packungen) ein
Schwerpunkt gewidmet. Hierbei wird aufgezeigt, dass das Entrainment in
Abhängigkeit der Gas- und Flüssigkeitsbelastung sowie der Einbauten stark variieren
kann. Zum Beispiel reduziert eine Erhöhung der Gasbelastung um 1 Pa0,5 den Anteil
von Tropfen < 50 µm um den Faktor 6 über einem Boden mit festem Ventil (Abb. 2).
Eine erfolgreiche Validierung der nach dem Durchlichtprinzip funktionierenden Sonde
mit monodispersen Partikelsystemen von 1 mm bis unter 10 µm wird einen weiteren
Diskussionspunkt darstellen. Zusätzlich wird ein Vergleich mit der laserbasierten
Phasen-Doppler-Anemometrie dargestellt.
Abb. 1 Vereinfachte Prinzipskizze Prozessmesssonde Abb.2 Tropfengröße abhängig von Gasbelastung
5
Strömungsrichtung
Einfluss der Rohrleitungsführung auf die Strömungsmorphologie in Feedleitungen von Destillationskolonnen
A. Döß 1, M. Schubert 1, U. Hampel 1, C. Mehringer 2, C. Geipel 2 , 1 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V., 2 RVT Process Equipment GmbH,
Tropfenmitriss in den Verstärkerteil von Destillationskolonnen verschiebt das
thermodynamische Ungleichgewicht zwischen Dampf- und Flüssigphase und
reduziert damit den Stofftransport und letztlich die Trenngüte erheblich. Gleichzeitig
verursachen Tropfen in nachgeschalteten Anlagen(-komponenten) wartungsintensive
Verschmutzung, Verblockung und Korrosion. Ein für die Tropfenentstehung
besonders anfälliger Kolonnenabschnitt ist der zweiphasige Zulauf (Feed) mit Flash-
Verdampfung. Durch die vielfältigen Interaktionen zwischen Dampf- und Flüssig-
phase erfordert dieser oft den Einsatz von zusätzlichen Anlageneinbauten zur
Tropfenabscheidung (Flash-Behälter, Shoepentoeter, Demister, Vapor horn).
Kenntnisse über die sich einstellende Strömungsform und die daraus resultierende
Phaseninteraktion sind Voraussetzung für die Auslegung und Konzipierung von
Feedleitungen, Einleitorganen und Maßnahmen zur Tropfenabscheidung. Für die
Vorhersage von Strömungsformen in Abhängigkeit der Durchsätze existieren
mehrere empirische Ansätze. Nahezu unberücksichtigt sind dabei jedoch typische
Rohleitungsführungen bei Trennkolonnen (Vgl. Abb. 1). Im Rahmen einer
experimentellen Studie wurde deshalb der Einfluss der Rohrleitungsführung und –
geometrie (DN50, DN200) auf die Zweiphasenströmung entlang der Feedleitung
untersucht. Die Anwendbarkeit empirischer Vorhersagmodelle für die
Strömungsformen wurde analysiert und die dynamischen Strömungsstrukturen
mittels zeitlich und räumlich hochaufgelöster Gittersensormessungen charakterisiert.
Diese Arbeit findet im Rahmen des Projektes TERESA statt und wird durch das
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) gefördert (FKZ 03ET1395D).
Abb. 1: Strömungsvisualisierung mit Gittersensoren stromab und –aufwärts eines horizontalen S-Bogens.
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Beeinflussung des Tropfenmitrisses bei der Zwangsumlaufentspannungsverdampfung
Katharina Jasch, Stephan Scholl
TU Braunschweig, Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Das Mitreißen von Tropfen in der Dampfphase während eines Gas-flüssig-
Gegenstromprozesses macht die zuvor investierte Trennleistung zunichte und
beeinträchtigt nachgeschaltete Prozessstufen, mit den Folgen Leistungsminderung,
Mehraufwand oder Schädigung.
In einem Zwangsumlaufentspannungsverdampfer strömt eine einphasig erwärmte,
überhitzte Flüssigkeit durch eine Druckreduzierarmatur. Durch die abrupte
Druckreduzierung verdampft das Fluid partiell und wird in einen nachgeschalteten
Abscheider oder eine Trennkolonne entspannt. Da die Entspannungsverdampfung
nahezu explosionsartig abläuft, ist die Gefahr der Bildung vieler und kleiner Tropfen
besonders groß. In diesem Beitrag werden prozessliche und betriebliche
Einflussgrößen auf den Tropfenmitriss während der Entspannungsverdampfung
sowie die qualitativen Zusammenhänge einzelner Größen auf die Tropfenentstehung
und den Tropfenmitriss analysiert. Erste Versuche bei geringen Gasbelastungen (fG
< 0,7 Pa1/2) zeigten, dass die Wahl der Prozessgrößen wie z.B. des Druckes im
Brüdenraum und der Überhitzung der umgewälzten Flüssigkeit nicht nur
Betriebsgrößen, wie z.B. den Dampfgehalt oder die Gasbelastung, bestimmen,
sondern auch die Strömungsform in der Flashleitung nach erfolgter Entspannung
sowie die Tropfengröße maßgeblich beeinflussen. Der Mitriss von Flüssigkeitstropfen
im Brüden kann hiernach durch eine gezielte Einstellung von Prozessgrößen
reduziert werden. Des Weiteren wurden zwei unterschiedliche Blenden zur
Entspannung des überhitzten Fluids verwendet. Dieser Vergleich zeigte ebenfalls,
dass unter gleichen Prozessbedingungen deutlich unterschiedliche
Strömungsformen und Tropfengrößen erzeugt werden.
Weitere Versuche bei höheren Gasbelastungen sowie die Verwendung von weiteren
Messtechniken, wie z.B. der Gittersensorik zur Bestimmung der
Strömungsmorphologie in der Flashleitung sowie die Vermessung von
Tropfensprektren mittels einer optischen Sonde, sind bis Ende des Jahres
vorgesehen.
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Experimental investigation of droplet entrainment from feed inlet devices
N. Darvishsefat1, M. Grünewald1, C. Mehringer2, C. Geipel2
1Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik 2RVT Process Equipment GmbH
Droplet entrainment from the feed section of a distillation column can significantly reduce the separation efficiency and product quality. Therefore reducing droplet entrainment is very important. To overcome this problem, a feed inlet device is installed right in the path of the feed pipe. In this way the droplets are separated and are prevented from being carried away with the gas phase. In the available literature several inlet devices and their application are introduced, however very little experimental studies were done to characterize inlet devices based on the entrainment amount and their operation region.
In this study, to conduct experiments a setup similar to the feed section of a distillation column was built. The feed pipe is DN 50 and the column has a diameter of 440 mm. The experiments are conducted with air and water at ambient pressure and temperature.
To simulate the conditions in a feed pipe operated near to mist flow, inside the feed pipe gas with a high velocity is mixed with high amount of droplets generated by a nozzle. Furthermore, in the feed pipe the gas and liquid will be mixed to generate a two phase regime. The droplets which are entrained into the column are collected with the help of a collector tray and a demister. The total amount of entrainment is measured by collecting and weighing.
In the experiments three types of feed inlet devices are tested. Parameters such as column gas velocity, feed gas velocity and liquid flow rate in the feed are varied and their effect on the entrainment is investigated. Until now the results from the measurements have shown that a rounded V Baffle in comparison to the other inlet devices is able to reduce the entrainment in the best way. Further results and discussion concerning these inlet devices will be presented.
This work is part of the TERESA Project (Tropfenentstehung und -reduzierung in Stoffaustauschapparaten) funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi).
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The Rectisol Demonstration Unit: Results and Scale-up Eve Masurel, Air Liquide R&D, Frankfurt am Main/Germany
Anna Chang, Air Liquide R&D, Shanghai/China
Robert Szabo, Air Liquide E&C, Frankfurt am Main/Germany
Sophia Schmidt, Air Liquide E&C, Frankfurt am Main/Germany
The Lurgi RectisolTM process is used for more than 80% of the gasification projects
for acid gas removal. The RectisolTM process is an efficient way to remove sulfur
compounds, CO2 and other traces from syngas with chilled methanol as solvent. In
order to respond to the customer need for continuous CapEx and OpEx
improvement, the use of packing to replace trays in absorber and reabsorber
columns seems promising. Nevertheless, as it is a process with a large range of
operating conditions, the correlations from the literature should be out of their domain
of validity for some sections. This uncertainty leads to a less optimized design to
ensure the quality of the product gases.
In order to have a better understanding of the performance of packings for RectisolTM
application, a demonstration unit has been built and connected to a commercial size
Air Liquide RectisolTM unit in order to perform tests with packings. Gas and liquid
flows circulating in the RectisolTM Demonstration Unit (RDU) are directly extracted
from and returned to the main plant. The RDU allows to test different packing types
and is equipped with all required instruments to study both hydraulics and
performances of tested packings. Different kinds of packings have been tested,
which might be beneficial for different column sections.
The RDU provides a proof of concept on the use of packing in the RectisolTM
columns and enables to improve the estimation of the operating limits and the
performances. Based on the results of the tests performed on the RDU, optimised
design rules of RectisolTM process with packings have been defined. Furthermore,
the use of real plant data allowed to benchmark the RDU results with industrial scale
application and to validate the scale-up. This new design allows to significantly
reduce the CapEx and OpEx compared to the unoptimised design with packing and
compare to trays design.
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Druckgetriebene dynamische Simulation einer gesamten Luftzerlegungsanlage
Robert Kender1, Bernd Wunderlich2, Ingo Thomas2, Andreas Peschel2, Sebastian
Rehfeldt1, Harald Klein1, 1 Technische Universität München, Fakultät für
Maschinenwesen, Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik, Garching bei
München/Deutschland, 2 Linde AG, Engineering Division, Pullach/Deutschland
Im Rahmen des Kopernikus-Projektes „SynErgie“ wird im Teilprojekt „FlexASU“ die
Lastflexibilisierung von Luftzerlegungsanlagen untersucht. Bei der Luftzerlegung
handelt es sich um ein Verfahren mit hoher Prozessintegration, welches hochgradig
nichtlineares Verhalten bei Anfahr- oder Lastwechselvorgängen zeigt. Um diese
Vorgänge robust vorhersagen zu können, müssen Sonderfälle wie das Ausbleiben
einer Strömung oder Strömungsumkehr berechnet werden können. Dazu werden
detaillierte, druckgetriebene Modelle der Anlagenkomponenten einer Luftzerlegungs-
anlage verwendet [1,2].
Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf der dynamischen Modellierung von
Rektifikations-kolonnen. Hierfür werden die Modelle von KENDER 2018 [1] verwendet,
welche auf der Modellentwicklung von WUNDERLICH 2018 [2] basieren. Dabei handelt
es sich um druckgetriebene, rigorose Boden-zu-Boden Kolonnenmodelle, die den
gesamten, realen Lastbereich simulieren können. Um das dynamische Verhalten
einer vollständigen Luftzerlegungsanlage akkurat abbilden zu können, wurden
zusätzlich druckgetriebene Turbinen- und Wärmeübertragermodelle entwickelt.
Der flexible Betrieb einer kompletten Luftzerlegungsanlage kann mit Hilfe dieser
Modelle dargestellt werden. Dazu werden Anfahr-, Abschalt- und Lastwechsel-
vorgänge simuliert.
Dabei wird erstens eine detaillierte Einsicht in das transiente Verhalten des Gesamt-
modells während dieser Vorgänge gewonnen. Zweitens dient das druckgetriebene
Modell einer Luftzerlegungsanlage als Regelstrecke für die Erprobung moderner
Regelalgorithmen, die einen effizienten, flexiblen Betrieb zulassen.
[1] Kender, R.; Wunderlich, B.; Thomas, I.; Peschel, A.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Druckgetriebene dynamische Simulation von
Rektifikationskolonnen bei Luftzerlegungsanlagen. FVT, Unterhaching, 2018. [2] Wunderlich B., 2018, Entwicklung eines druckgetriebenen dynamischen Kolonnenmodells zur Erhöhung der Flexibilität von
Luftzerlegungsanlagen, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe: KIT Scientific Publishing, ISBN 978-3-7315-0760-4.
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Kolonnenrevamp mit Überraschungen – What you see, is what you get!
B. Metzen, A. Keller, C. Kunkelmann, BASF SE, Ludwigshafen/D
In der chem. Industrie ist es ist üblich, dass Anlagen viele Jahre, manchmal sogar
Jahrzehnte, betrieben werden. Dabei werden im Laufe eines Anlagenlebens
Umbaumaßnahmen an den Apparaten durchgeführt. Trotz Dokumentation der
Maßnahmen kommt es vor, dass diese Dokumentationen z. B. bei Änderungen an
den frei beweglichen Einbauten in einer Kolonne unvollständig sind, handschriftliche
Dokumentationen verloren gingen oder mündlich weitergegebene Informationen in
Vergessenheit gerieten.
An einer bestehenden Kolonne in der BASF wurde in jüngster Vergangenheit ein
Revamp von Packung und Verteiler durchgeführt. Dabei sollte die existierende
Packung ersetzt und freier Raum unterhalb der vorhandenen Packung mit
zusätzlicher Packung bestückt werden, um die Trennleistung der Kolonne zu
verbessern.
Bei der Installation der neuen Einbauten stellte man fest, dass unterhalb der
Packung noch ein alter Tragrost, eingebaut war. Man entschloss sich diesen
Tragrost nicht wieder einzubauen. Nach Wiederanfahren der Anlage, konnte keine
Verbesserung der Trennung erreicht werden. Die Trennung war sogar schlechter als
vorher.
Umfangreiche Untersuchungen an der Kolonne, thermodynamische Simulationen
bzgl. Maldistribution von Gas und Flüssigkeit und CFD-Berechnungen zum Einfluss
des Tragrostes auf die Gasverteilung wurden durchgeführt.
Die gemeinsame Betrachtung der Resultate aller Gewerke führte zu dem Ergebnis,
dass Gasmaldistribution die Ursache für die reduzierte Trennleistung der Packung
sein muss.
In der nächsten Abstellung wurde ein Gasverteiler installiert sowie die bestehende
Gaseinleitung im Sumpf der Kolonne modifiziert.
Nach Wiederanfahren konnte die gewünschte Trennleistung erreicht werden.
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Effect of flow non-idealities and vapor-liquid equilibrium character-istics on tray column efficiency: a case study
Vineet Vishwakarma1,2, Nireas Rigos2, Markus Schubert2, Uwe Hampel1,2
1Institut für Energietechnik, Technische Universität Dresden, Deutschland
2Institut für Fluiddynamik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Deutschland
Distillation columns are energy-intensive process equipments as they account for 10
to 15% of the global energy consumption.1 According to a recent estimate, 50% of
the existing columns in the world are equipped with cross-flow trays.2 Such columns
are cascades of trays with similar geometry and function. Thus, trays are considered
as the fundamental unit in distillation columns.3 This generalization has led to numer-
ous experimental and numerical studies on hydrodynamics and separation efficiency
of individual trays. The methods for integrating individual tray performances in a col-
umn with the overall column efficiency have been largely unexplored. Reasonable
estimates of the column efficiency based on vapor-liquid equilibrium (VLE) character-
istics and flow non-idealities on tray internals are possible to obtain during the column
design phase. This can reduce column’s cost and energy consumption through de-
sign modification and process optimization.
In this work, two separate case studies are formulated for displaying the approach of
the overall column efficiency prediction based on flow non-idealities and VLE charac-
teristics of binary mixtures on column trays. Basically, the axial dispersion model is
firstly used to assign non-idealities to the liquid flow on column trays. The VLE data
for binary mixtures are then generated using the Soave-Redlich-Kwong (SRK) model
and the Non-Random Two-Liquid (NRTL) model inbuilt in Aspen Plus. Thereafter, the
mathematical models3 are employed to obtain the tray efficiency based on given liq-
uid dispersion and VLE data using an iterative procedure for the presumed point effi-
ciencies. In the first study, this procedure is employed for different binary mixtures
getting distilled in a theoretical column operating under total reflux condition as
shown in Fig. 1.
12
Fig. 1. McCabe-Thiele diagram for Benzene-Toluene mixture in total reflux column at
1 atm with pseudo-VLE curves for tray Péclet number as 2 and 40 and EOV = 0.5.
In the second study, the same procedure is used to analyze real column data of bina-
ry mixtures taken from the literature. For both studies, the graphical stepping proce-
dure of equilibrium and non-equilibrium trays in the McCabe-Thiele diagram is shown
(Fig. 1) in this work. The relocation of the pseudo-VLE curve in this diagram with re-
spect to liquid dispersion on trays signifies their impact on the overall column effi-
ciency. This work also motivates for the formulation of better tray efficiency models in
the future, as they are a key aspect of column efficiency calculations.
(1) D. S. Sholl, R. P. Lively. Seven chemical separations to change the world. Nature
News, 532(7600), 435, 2016.
(2) A. Górak, Z. Olujić. Distillation: equipment and processes, Academic Press. 2014.
(3) V. Vishwakarma, M. Schubert, U. Hampel. Assessment of separation efficiency
modeling and visualization approaches pertaining to flow and mixing patterns on
distillation trays, Chemical Engineering Science, 185, 182-208, 2018.
13
Modellierung von Stofftransport und Phasenverteilung in Füllkörper- und Packungskolonnen
J. H. Brinkmann, M.Grünewald, D. Plate, Ruhr-Universität Bochum,
Bochum/Deutschland
Fehlverteilungen der Flüssigphase können bei der Charakterisierung der
Trenneffizienz von Füllkörpern und strukturierten Packungen zu signifikanten
Abweichungen der ermittelten Parameter führen. Ursache dafür sind vor allem
Wandeffekte, die infolge der Anisotropie der Einbauten in Wandnähe insbesondere
bei Füllkörperschüttungen auftreten. Dies erschwert das Scale-up von
Packungskolonnen, da die Charakterisierung vor allem in kleinen Kolonnen
durchgeführt wird, in denen sich Wandeffekte besonders stark auf die ermittelten
Parameter auswirken. Kenntnisse über die Verteilung der Flüssigphase sind
demnach von großer Bedeutung, um den Einfluss der Maldistribution auf die
ermittelte Trennwirksamkeit abzuschätzen und somit das Scale-up von
Packungskolonnen zu erleichtern.
Im Rahmen dieses Beitrages werden zunächst Methoden zur Charakterisierung der
Flüssigkeitsverteilung in Füllkörper- und Packungskolonnen mittels Tracer-
messungen vorgestellt, welche auf der Messtechnik des Gittersensors basieren [1].
Die Ergebnisse der Tracerverteilung werden dann auf das an der Ruhr-Universität
Bochum entwickelte, makroskalige Zellenmodell übertragen. Diese basieren auf der
Unterscheidung der Verteilungseigenschaften in Wand- und Kernbereiche, was eine
exakte Vorhersage von Menge und Ausbildung des Wandflusses über die Höhe der
Einbauten ermöglicht. Hierbei erfolgt eine Unterscheidung der Modelle für Füllkörper
und strukturierte Packungen um Vorzugsrichtungen der Flüssigkeitsausbreitung z.B.
bei Packungen, besser beschreiben zu können.
Neben der Beschreibung der Fluiddynamik ermöglicht das Zellenmodell außerdem
die "Rate-Based"-Berechnung des Stofftransportes. Mittels Stofftransport-
Experimenten im Technikumsmaßstab soll das Modell neben der Fluiddynamik auch
für den Stofftransport validiert werden. Der Fokus liegt hierbei auf der Beschreibung
der Änderung der Trenneffizienz in Abhängigkeit der Fehlverteilung, mit dem Ziel das
Modell in Zukunft auch zur Vorhersage der Wiederverteilung von Flüssigkeit
einsetzen zu können. [1] H.-M. Prasser, A. Böttger, J. Zschau, Flow Meas. Instrum. 1998, 2, 111-119.
14
Modellierung des Stofftransports in Füllkörperkollonen mit dem Ansatz der hydrodynamischen Analogien
A. H. J. Salten1, J. F. Maćkowiak2, J. Maćkowiak2, E. Y. Kenig1
1Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn/Deutschland 2ENVIMAC Engineering GmbH, Oberhausen/Deutschland
In technischen Trennprozessen wie Rektifikation und Absorption spielen Füllkörper
eine wesentliche Rolle. Aufgrund ihrer niedrigen Kosten und geringen Anfälligkeit für
Ablagerungen, die durch feststoffbeladene Gas- oder Flüssigkeitsströme verursacht
werden, stellen sie häufig verwendete Einbauten in Rauchgasreinigungskolonnen
dar. Die Modellierung der Stoff- und Wärmeübertragung in solchen Kolonnen wird
üblicherweise unter Verwendung von Rate-based-Stufenmodellen durchgeführt. Eine
wesentliche Schwäche von solchen Modellen ist ihre vereinfachte Behandlung der
Fluiddynamik und des Stofftransports und, als Folge, Abhängigkeit von diversen
experimentell zu bestimmenden Parametern. Im Allgemeinen sind diese Parameter
nicht direkt auf verschiedene chemische Systeme oder Geometrien übertragbar.
Ein alternativer Ansatz zur Modellierung von Transportphänomenen in Trennpro-
zessen basiert auf sogenannten hydrodynamischen Analogien [1]. Dabei wird die
real vorherrschende Fluiddynamik durch eine Kombination einzelner, vereinfachter
Strömungsformen (z.B. Film, Strahl und Tropfen) abgebildet. Der Wärme- und
Stofftransport kann in solchen Strömungen rigoros modelliert werden. Somit kann die
Verwendung der meisten der oben genannten experimentellen Parameter vermieden
werden. Die Methode der hydrodynamischen Analogien wurde bereits erfolgreich für
strukturierte Packungen verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wird ihre Anwendung
auf Füllkörperschüttungen gezeigt. Der Anteil der jeweiligen Strömungsformen am
gesamten Hold-up ist abhängig von Stoffwerten sowie von Geometrie- und Betriebs-
parametern. Werden diese Abhängigkeiten erfasst, können die Strömungsform-
anteile vorhergesagt werden. Temperatur- und Konzentrationsprofile werden für jede
Strömungsform berechnet und anschließend gemäß der volumetrischen Verhältnisse
gewichtet. Um den neuen Modellierungsansatz zu validieren, werden Experimente in
einer Füllkörperkolonne im industriellen Maßstab durchgeführt. In diesem Beitrag
wird die Entwicklung und Validierung des Modells vorgestellt. [1] Shilkin, A.; Kenig, E. Y. (2005). A new approach to fluid separation modelling in the columns
equipped with structured packings. Chem. Eng. J. 110, 87–100.
15
Mesoskalige Simulation von der Konzentrations- und Geschwindigkeitsverteilung der Gasphase in Kolonnen mit
strukturierten Packungen Johannes Sacher, TU Berlin, Berlin/Deutschland, Prof. Jens-Uwe Repke, TU Berlin,
Berlin/Deutschland
Strukturierte Packungen nehmen in der absorptiven und destillativen Trennung eine
herausragende Stellung ein. Für die Trenneffizienz kann der
Konzentrationsausgleich über die Packungshöhe von Bedeutung sein, was bisher
aufgrund unzureichender Untersuchungen nicht immer genau bei der Auslegung
berücksichtigt werden kann.
So sind an Flüssigkeitsverteilern erhebliche Gasmaldistributionen zu beobachten,
welche den Druckverlust deutlich erhöhen (Ali et al. 2003) und dessen Auswirkung
auf die Trenneffizienz noch nicht ausreichend untersucht wurde. Weiterhin hat bei
sog. shallow bed columns (mit einer Höhe kleiner als dem Durchmesser, eingesetzt
bspw. bei der Vakuumdestillation von Rohöl oder Rauchgasentschwefelung) eine
ungleichmäßige Dampf- bzw. Gasanströmung der Packung einen empfindlichen
Einfluss auf die Trenneffizienz (Porter et al. 1993). Ferner ist für den Betrieb bei
niedrigem Druckverlust bzw. niedrigen F-Faktoren (ca. kleiner 0.5 Pa0.5) noch nicht
ausreichende geklärt, ob hier wesentlich schlechtere Gasverteilungen auftreten, da
der Druckverlust als Triebkraft für die Gasverteilung fehlt. Ein weiteres Beispiel
besteht im Betrieb von Trennwandkolonnen, in dessen oberem Bereich eine
unzureichende Vermischung der zwei austretenden Gasströme die
auslegungsgemäße Produktspezifikation gefährden kann (Steffens 2017).
CFD-Simulationen können hier gute Einblicke gewähren und wurden in zahlreichen
Arbeiten durchgeführt. Diese erfolgten für strukturierte Packungen vorrangig bzgl.
des trockenen Druckverlusts, welcher erfolgreich abgebildet werden konnte (z.B.
Raynal et al. 2004). Allerderdings fehlt bisher eine Analyse der CFD-Simulationen in
Bezug auf das stoffliche Verteilungsverhalten in der Packungsgeometrie.
Insbesondere wenn die Konzentrationfelder quantitativ gut abgebildet werden sollen,
ist zu beachten, dass der Rechenaufwand von CFD-Simulationen für ganze
industrielle Kolonnen enorm ist.
Sacher und Repke 2018 stellten die Entwicklung eines eigenen neuen mesoskaligen
Modells (StructuPack) vor, welches das 3-dimensionale Konzentrations- und
16
Geschwindigkeitsfeld in strukturierten Packungen mit einer Auflösung von ca. 2 cm
wiedergibt und gegenüber der CFD erheblich geringere Rechenzeiten beansprucht.
Der Kern des Modells besteht in der Aufteilung der strukturierten Packung in
Abschnitte aus Dreieckskanälen. Sacher und Repke 2018 konnten bereits zeigen,
dass das mesoskalige Modell eine gute Repräsentation der Konzentrations- und
Geschwindigkeitsverteilung in einem Packungsausschnitt für einen Betriebspunkt
liefern konnte und im Vergleich zu CFD-Simulationen über 1000-fach kürzere
Rechenzeiten beansprucht. Weiterhin zeigten Sacher und Repke 2018 durch eine
experimentelle Validierung, dass CFD-Simulationen im laminaren Regime eine gute
quantitative Vorhersage der Konzentrationsverteilung in strukturierten Packungen
liefern können, während im turbulenten Bereich Standard-Turbulenz-Modelle eine
sehr schlechte Vorhersage bieten.
In diesem Beitrag wird eine Cross-Validierung des Parametersatzes des
mesoskaligen Modells über den praktisch relevanten Gasbelastungsbereich
vorgestellt, sowie mesoskalige Simulationen der Gasverteilung in ganzen Kolonnen
diskutiert.
a b
Simulation der Geschwindigkeitsverteilung in einer DN200-Kolonne mit Montz-Pak B1-250: a) CFD-Simulation mit
Stromlinien in der Packung; b) mesoskalige Simulation mit lokalen Geschwindigkeiten.
Literatur:
1. Cai et al. 2001, EFCE International Conference on Distillation & Absorption.
2. Ali et al. 2003, Chemical Engineering Research and Design, Bd. 81, S. 108-115. International Conference on Distillation and
Absorption.
3. Porter et al. 1993, Industrial & Engineering Chemistry Research, Bd. 32, S. 2408-2417.
4. Steffens 2017, Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Mechanische Flüssigkeitsabtrennung, Kristallisation,
Phytoextrakte, Adsorption, Extraktion, Fluidverfahrenstechnik und Membrantechnik 2017, Köln, Deutschland.
5. Raynal et al. 2004, Chemical Engineering Science, Bd. 59, S. 5395-5402.
6. Sacher und Repke, Chemical Engineering Transactions, Bd. 69
17
Partieller Einsatz von teilweise gefluteten Packungen S. Flechsig1, Y. Utchenko1, J. Sohr2, M. Schubert2,3, U. Hampel2,3, E.Y. Kenig1
1Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn 2Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik, Dresden
3Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Institut für Fluiddynamik, Dresden
Ein Weg zur Reduzierung des hohen Energiebedarfs thermischer Trennverfahren ist
die Prozessintegration. Ein Beispiel dafür ist die Integration verschiedener
Strömungsformen in einem Trennapparat durch den Einsatz von Anstaupackungen,
wodurch eine Erhöhung der Trennleistung im Vergleich zu Strukturpackungen erzielt
wird. Anstaupackungen bestehen aus zwei alternierend angeordneten Lagen von
industriell verfügbaren Standardpackungen mit unterschiedlichen spezifischen
Oberflächen. Die untere Anstaulage weist eine geringere Lastgrenze als die darüber
angeordnete Abscheidelage auf, wodurch im Betrieb zwischen den Flutpunkten
beider Lagen ein heterogenes Strömungsmuster entsteht. Dabei bildet sich in der
gezielt gefluteten Anstaulage eine bis in die Abscheidelage hineinreichende
Sprudelschicht, die durch eine intensive Phasenvermischung und große
Phasengrenzflächen geprägt ist.
Um die Leistungscharakteristik von Anstaupackungen mit der von anderen Einbauten
vergleichen zu können, wurde in einer vorherigen Arbeit [1] ein rate-based-Modell
entwickelt, welches die Auswirkungen der belastungsabhängig auftretenden Regime
in Anstaupackungen berücksichtigt. Basierend auf experimentellen Daten zur CO2-
Absorption mit wässrigen Aminlösungen im Technikumsmaßstab sowie
tomographischen Untersuchungen wurden Abhängigkeiten der modellspezifischen
Parameter identifiziert und anschließend regimespezifisch ins Modell implementiert.
Mittels Prozesssimulationen der CO2-Absorption aus Abgasen gasbefeuerter
Kraftwerke im industriellen Maßstab werden im Rahmen dieser Arbeit
Anstaupackungen und Strukturpackungen hinsichtlich der benötigten
Kolonnenabmessungen und des zu überwindenden Druckverlustes verglichen. Um
eine abschließende Bewertung durchzuführen, wurden mithilfe von Aspen Process
Economic AnalyzerTM die Anlagen- und Betriebskosten für die CO2-Abscheidung
bestimmt. Zusätzlich wurde zur Ermittlung eines optimalen Designs der Einfluss der
wesentlichen Geometrieparameter von Anstaupackungen auf die Kosten untersucht. [1] S. Flechsig, J. Sohr, M. Schubert, U. Hampel, E.Y. Kenig, Chem. Eng. Trans., 2018, 69, 169-174, DOI: 10.3303/CET1869029.
18
Modellierung und Simulation der kontinuierlichen Gemisch-destillation bei der Dünnschicht- und Kurzwegverdampfung
Stefan Jahnke, Stephan Scholl
TU Braunschweig, Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Die destillative Trennung von Mehrkomponentengemischen kann vorteilhaft durch
die kontinuierliche, zweistufige Reihenschaltung eines Dünnschicht- (DSV) und eines
Kurzwegverdampfers (KWV) erfolgen. Beide Verdampfertypen eignen sich dank des
Aufbaus und der Funktionsweise hervorragend, um temperaturempfindliche, zum
Schäumen neigende oder viskose Medien produktschonend zu verdampfen. Niedrige
Prozessdrücke, geringe Flüssigkeitsvolumina, kurze Verweilzeiten und flexible
Wischersysteme ermöglichen es, betriebliche und apparative Einflussfaktoren mit
den Eigenschaften des zu verdampfenden Stoffgemischs abzustimmen. Diese kom-
plexen fluiddynamischen und wärmetechnischen Abhängigkeiten ermöglichen bisher
aber keine simulationsbasierte Auslegung.
Im Rahmen des Forschungsprojekts Mi²Pro wurde ein Simulationsmodell entwickelt,
welches aufbauend auf dem Gleichgewichtsstufenmodell das trenntechnische und
wärmetechnische Betriebsverhalten von Dünnschicht- als auch Kurzwegverdampfern
abbilden soll. Jede Gleichgewichtstufe bildet dabei einen Teil der Verdampferhöhe
ab. Über die dynamische Berechnung des Wärmedurchgangskoeffzienten für jede
Stufe wird die zu erwartende Verdampfungsleistung abgeschätzt, der entstandene
Brüden abgeführt und der Sumpf in die nächste Stufe geleitet (offene bzw. differenti-
elle Verdampfung). Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Berechnung des lokalen
Wärmedurchgangskoeffizienten, der die komplexen stofflichen und betrieblichen
Einflussfaktoren fassen soll. An einer Glasanlage mit identischen Dimensionen für
beide Verdampfertypen können für das ternäre Stoffsystem Mono-, Di- und Triethy-
lenglykol die errechneten Reinheiten, Ausbeuten und Verdampfungsleistungen expe-
rimentell bestimmt und den Simulationsergebnissen gegenüber gestellt werden. In
einem nächsten Schritt sollen auf Basis von Vergleichsversuchen an einer größeren
Edelstahlanlage der Einfluss der Apparategröße (Scale-Up) sowie der unterschied-
lichen Materialwahl ermittelt werden.
19
Dynamische, druckgetriebene Kolonnenmodellierung und -simulation zur Flexibilisierung der 1,2-Dichlorethanproduktion C. Hoffmann, J. Weigert, E. Esche, J.-U. Repke, Technische Universität Berlin,
Berlin/Deutschland
Im Rahmen des Verbundprojekts ChemEFlex werden die Flexibilisierungspotenziale
des deutschen Strommarkts am Beispiel der Chlor-Alkali-Elektrolyse (CAE)
untersucht1. Bei der CAE wird mithilfe von elektrischem Strom aus einer wässrigen
Natriumchloridlösung Chlorgas erzeugt, welches anschließend mit Ethen zu 1,2-
Dichlorethan (DCE) umgesetzt wird. Dies stellt ein gut speicherbares, flüssiges
Intermediat bei der Herstellung von Polyvinylchlorid (PVC) dar. Die bei der
Additionsreaktion zwischen Chlor und Ethen freigesetzte Wärmeenergie wird zur
rektifikativen Aufreinigung des Produktes genutzt., um das DCE in hoher Reinheit der
Vinylchlorid-Produktion zuführen zu können. Um die Flexibilisierbarkeit des
Verfahrens zu untersuchen, wird ein dynamisches Prozessmodell benötigt, welches
das Anlagenverhalten und insbesondere die Fluiddynamik bei Lastwechseln
beschreibt.
Die Kolonne ist als Bodenkolonne ausgeführt, deren einzelne Böden jeweils mithilfe
dynamischer Massen- und Energiebilanzen beschrieben werden. Zwischen Dampf-
und Flüssigphase wird thermodynamisches Gleichgewicht angenommen. Dessen
Beschreibung erfolgt mit der Peng-Robinson-Zustandsgleichung. Der nach unten
strömende Flüssigstrom setzt sich aus einem Wehranteil und einem Regenanteil
zusammen. Ersterer beschreibt den Überlauf über das Wehr des Bodens, zweiterer
beschreibt das Durchregnen durch die Löcher des Bodens in Abhängigkeit von der
Gasbelastung. Der Dampfstrom wird druckgetrieben berechnet, wobei der
Druckverlust zwischen den Böden aus dem Druckverlust des Bodens und dem
hydrostatischen Druckverlust infolge des Flüssigkeitsstands des darüber liegenden
Bodens zusammensetzt. Um das Modell im weiteren Projektverlauf auch für die
dynamische Prozessoptimierung einsetzen zu können, ist es robust
formuliert, um auch das Leerlaufen einzelner Böden darstellen zu
können. Im Beitrag wird dieser Modellierungsansatz am Beispiel
der DCE-Produktion vorgestellt. Anschließend werden dynamische
Simulationsergebnisse präsentiert und mit industriellen
Anlagendaten validiert.
20
Optimierungsbasierter Entwurf energieeffizienter Rektifikationsprozesse
Thomas Waltermann, Mirko Skiborowski, TU Dortmund, Fakultät für Bio- und
Chemieingenieurwesen, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Dortmund;
Um den Energiebedarf der chemischen Industrie zu senken sind
Rektifikationsprozesse von besonderem Interesse. Sie zeichnen sich nicht nur für
einen Großteil des Energiebedarfs verantwortlich, sondern weisen häufig nur eine
geringe thermodynamische Effizienz auf. Neben der immer populäreren thermischen
Kopplung in Form von Trennwandkolonnen, ermöglichen die Brüdenkompression,
Multieffektdestillation oder die klassische externe Wärmeintegration deutliche
Energie- und Kosteneinsparungen gegenüber nicht integrierten Kolonnensequenzen.
Das Einsparpotential dieser Prozessvarianten hängt jedoch stark von der jeweiligen
Trennaufgabe ab, sodass keine pauschale Rangordnung spezifiziert werden kann
und alle Alternativen für das jeweilige Trennproblem evaluiert werden sollten[1].
Um eine solche Evaluierung zu ermöglichen bedarf es effizienter
Auslegungswerkzeuge, die ohne weitreichende vereinfachende Annahmen
auskommen und möglichst stark automatisiert sind. Kommerziellen Simulatoren fehlt
es oftmals an vorhandenen Modellen für komplexe und stark integrierte
Prozessvarianten wie Trennwandkolonnen, so dass eine manuelle Initialisierung und
schrittweise Optimierung erforderlich ist[2]. Zwar kann die Optimierung auch mittels
angekoppelter stochastischer Optimierungsverfahren oder an dem Simulationsmodell
trainierten vereinfachten Ersatzmodellen erfolgen, jedoch muss hierfür zunächst ein
gut konvergierendes Simulationsmodell für die konkrete Trennaufgabe erstellt
werden, so dass der manuelle Aufwand nur teilweise reduziert werden kann.
Der aktuelle Vortrag illustriert wie optimierungsbasierter Entwurfsverfahren eine
automatisierte Initialisierung und Optimierung der teils stark gekoppelten
Prozessmodelle ermöglichen. So kann das Einsparpotential der verschiedenen
Optionen, inklusive komplexer Trennwandkolonnen, auch für nicht-ideale und
azeotrope Stoffsysteme mit geringem Aufwand und innerhalb kürzester Zeit evaluiert
werden[2]. Des Weiteren lässt sich der Ansatz auch auf Lösemittelgestützte
Trennverfahren wie die Extraktiv- und Heteroazeotroprektifikation übertragen[3]. Referenzen [1] M. Skiborowski, 2018. Chem. Eng. Trans., 69, 199-204. [2] T. Waltermann, M. Skiborowski, 2017. Chem. Ing. Tech., 89 (5), 562-581. [3] T. Waltermann, T. Grüters, M. Skiborowski, 2018. Comp. Aid. Chem. Eng., 44, 187-192.
21
Automatisierte Initialisierung und Optimierung von Heteroazeotrop-Rektifikationsprozessen
Kai Fabian Kruber, Mirko Skiborowski, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik,
Fakultät für Bio- und Chemieingenieurwesen, TU Dortmund, Deutschland
Lösungsmittelbasierte Trennverfahren, wie die Heteroazeotrop-Rektifikation,
ermöglichen eine energieeffiziente Trennung komplexer azeotroper Stoffsysteme.
Für die Ökonomie dieser Hybridprozesse aus Rektifikation und
Flüssigphasentrennung spielt nicht nur die zielgerichtete Auswahl eines idealen
Lösemittels für die Auftrennung des azeotropen Gemisches, sondern insbesondere
die Rückgewinnung der eingesetzten Lösungsmittel eine entscheidende Rolle. Dies
erfordert die Optimierung der hochgradig integrierten Prozesse, für die speziell die
Generierung eines konvergenten Prozessmodells, welches die erforderlichen
Produktspezifikationen erfüllt, von essentieller Bedeutung ist. Um dieses Problem zu
lösen wurde von Skiborowski et al.1 bereits ein optimierungsbasiertes
Entwurfsverfahren vorgestellt, welches neben einem Superstrukturmodell, aufbauend
auf dem rigorosen Gleichgewichtsstufen Modell, einen stufenweisen Lösungsansatz
verwendet um die Initialisierung und Lösung der komplexen Modelle zu ermöglichen.
Darüber hinaus beinhaltet dieses Modell einen integrierten Phasenstabilitätstest zur
korrekten Ermittlung des Phasenverhaltens während des gleichungsbasierten
Optimierungsansatzes.
Um die Lösungsstrategie nun zu einem automatisierten Lösungsansatz zu erweitern
wird ein topologiebasierter Initialisierungsschritt vorgeschaltet. Dieser basiert auf der
Berechnung und Klassifizierung von Azeotropen und der Lösung eines reduzierten,
auf Massenbilanzen basierenden Problems. Dieses Preprocessing kombiniert in
gewisser Weise die von Ryll et al.2 vorgeschlagene Strategie einer Massenbilanz-
basierten Prozessevaluation und eine weitergehende Initialisierung des genauen
Prozessmodells mittels der Mischungstopologie. Dies erlaubt eine automatisierte
Initialisierung, welche in Zukunft auf die Evaluierung unterschiedlicher
Lösemittelkandidaten angewendet werden kann. Die Anwendung des
automatisierten Lösungsansatzes wird an verschiedenen Fallbeispielen demonstriert.
1 Skiborowski, M., Harwardt, A., Marquardt, W. (2015) Computers & Chemical Engineering, 72, 34-51 2 Ryll, O., Blagov, S., Hasse, H. (2013) Chemical Engineering Science, 104, 374-388
22
Mehrkriterielle Optimierung von ternären Destillationen Lena-Marie Ränger1, Michael Bortz2, Martin von Kurnatowski2 und Thomas Grützner1
1 Institut für Chemieingenieurwesen, Thermische Prozesstechnik, Universität Ulm,
Ulm 2 Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM), Kaiserslautern
Destillation ist bei weitem die wichtigste Trennoperation in der chemischen Industrie
und für einen hohen Energieverbrauch verantwortlich. Der Fokus der Forschung liegt
daher auf der Untersuchung verschiedener Möglichkeiten zur Kostenminimierung
sowie zur Verbesserung des ökologischen Fußabdrucks. Deutlich reduzierte
Betriebskosten lassen sich durch apparatetechnische Umrüstung wie zum Beispiel
auf Trennwandkolonnen, mathematische Optimierung oder eine Kombination aus
beiden Ansätzen erreichen. Das Optimierungsproblem von Destillationskolonnen
ergibt eine Vielzahl an Zielfunktionen, welche gleichzeitig minimiert beziehungsweise
maximiert werden müssen. Dementsprechend wird diese Art der Optimierung
mehrkriterielle Optimierung genannt. Häufig sind die Zielfunktionen konkurrierend,
wie zum Beispiel die theoretische Stufenzahl und die Verdampferleistung. Daher
gehend ergibt sich nicht nur ein optimaler Wert, sondern eine Menge aus nicht-
dominierten Lösungen, die auf der sogenannten Paretofront liegen. Diese kann mit
einem universellen Algorithmus des Fraunhofer-Instituts für Techno- und
Wirtschaftsmathematik (ITWM) approximiert werden. Im konvexen Fall werden
Zielfunktionen dabei unterschiedlich gewichtet und die Paretofront mit einem
Sandwichingverfahren abgeschätzt. Für die Anwendung im verfahrenstechnischen
Bereich kann dieser Algorithmus an Fließbildsimulatoren gekoppelt werden. Eine
Kopplung an die BASF-interne Software Chemasim sowie an ChemCAD wurde
bereits erfolgreich durchgeführt und veröffentlicht.
Im vorliegenden Beitrag wird eine Kopplung des Optimierers an Aspen Plus
präsentiert. Dazu wird die mehrkriterielle Optimierung einer ternären Trennung
vorgestellt. Dabei werden die direkte Splitsequenz, eine Seitenabzugskolonne und
eine Trennwandkolonne miteinander verglichen. Viele Publikationen zu diesem
Thema berücksichtigen nur zwei oder drei Zielfunktionen in der Optimierung. Im
Unterschied dazu werden nun auch die Reinheiten der Produkte berücksichtigt, was
zu einem umfangreichen Prozessverständnis führt.
23
Verteilte Simulation heterogener mathematischer Modelle in der Verfahrenstechnik
Dipl.-Phys. Thorsten Wack, Prof. Dr.-Ing. Görge Deerberg,
Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT
Die mathematische Modellierung und Simulation sowie die modellgestützte
Optimierung sind elementare Instrumente in der Verfahrenstechnik. Viele
Fragestellungen werden durch den Einsatz dieser Werkzeuge beantwortet. Hierzu
gehören zum Beispiel das Scale Up von Anlagen und Prozessen, die Ermittlung
optimaler Betriebspunkte, Regelstrategien und Fahrweisen, insbesondere aber auch
Fragestellungen der Systemintegration bei der Entwicklung komplexer technischer
Systeme, die aus einem Verbund diverser gekoppelter Subsysteme bestehen.
Dabei wird in der Regel ein monolithisches Gesamtmodell auf Basis der
konstituierenden Subsysteme und ihrer Verschaltungen entwickelt. Dieser Prozess
erfolgt für die Subsysteme unter Verwendung von spezialisierten Softwarepaketen,
die für die Domäne und den jeweiligen Einsatzzweck optimiert sind. In diesem
Kontext existieren eine Vielzahl proprietärer Softwarepakete, die hinsichtlich ihrer
Qualität und Funktionalität sowie Design und Ergonomie aufgrund langjähriger
Entwicklungsprozesse sehr ausgereift sind. Innerhalb dieser Programme werden die
Modelle des Gesamtsystems abhängig von den resultierenden mathematischen
Strukturen mit Hilfe sehr robuster und für die Domäne optimierter Algorithmen
simultan gelöst. Eine Interoperabilität oder Kompatibilität dieser Softwarepakete ist in
der Regel jedoch nicht gegeben.
Beim Aufbau komplexer technischer Systeme erfolgt die Entwicklung der
konstituierenden Subsysteme häufig gleichzeitig und verteilt, so dass verschiedene
Teams oder auch externe Lieferanten jeweils in ihrer eigenen Domäne und mit
jeweils eigenen Tools agieren. Jeder Partner entwickelt dabei eine Teillösung bzw.
ein Modell für ein konstituierendes System, das mit allen anderen Modellen der
übrigen Subsysteme integriert werden muss.
Zwar kann mit Hilfe der jeweiligen domänenspezifischen Werkzeuge und den
zugrunde liegenden Modellen die Optimierung der Teillösungen erreicht werden, dies
führt aber nciht zu einem ganzheitlichen Entwicklungsprozess bei dem in der Regel
die Modelle der jeweiligen Subsysteme nicht einfach ausgetauscht oder integriert
werden können, da diese einerseits oftmals in verschiedenen, nicht zueinander
24
kompatiblen Spezialwerkzeugen implementiert werden oder sie andererseits häufig
geistiges Eigentum (IP) enthalten, das den Systemintegratoren nicht zur Verfügung
gestellt wird. Sowohl die zunehmende Volatilität der Rohstoff- und Energiemärkte als
auch Sektorenkopplung sowie die Ausprägung Cross-industrieller Netzwerke
erfordern bei Fragestellungen der Systemintegration insbesondere im
verfahrenstechnischen Bereich diesen integralen Ansatz, der gleichzeitig die verteilte
und multidisziplinäre Entwicklung der Teilsysteme ermöglicht. Dabei ist die
Berücksichtigung externer, geschlossener (Black Box) Modelle für das
Gesamtsystem von entscheidender Bedeutung.
Zur Analyse derartig gekoppelter Modelle kann der Systemintegrator eine gekoppelte
Simulation (Co-Simulation) durchführen, bei der die verschiedenen Teilsysteme
separat gelöst werden und die Verkopplung über die Ein- und Ausgangsvektoren der
Teilsysteme realisiert wird. Die Lösung für das Gesamtsystem ergibt sich aus der
iterativen, sequenziellen Lösung der Teilmodelle, wobei die Kopplungsvektoren bei
jedem Iterationsschritt bis zu einem festgelegten Konvergenzkriterium interpoliert
werden. Dieser Ansatz ermöglicht zwar auch die Einbettung geschlossener Modelle,
erfordert jedoch auch immer den Eingriff des Systemintegrators, der die Anbindung
der jeweiligen Teilsysteme realisieren muss. Hier besteht für die Entwickler der
Teillösungen keine Möglichkeit, eigenständig auf Basis definierter Revisionsstände
der beteiligten Subsysteme eigene Optimierungen im Kontext des Gesamtsystems
durchzuführen. Um nun einen optimalen, ganzheitlichen Entwicklungsprozess zu
realisieren und gleichzeitg den maximalen Nutzen aus dem kollaborativen, verteilten
Ansatz zu generieren, ist dieses Vorgehen jedoch unerlässlich. Der Entwickler eines
Teilsystems muss in der Lage sein, sein eigenes Modell im Gesamtkontext zu
analysieren und zu optimieren. Im Sinne eines Rapid Prototyping sollte er darüber
hinaus die Möglichkeit besitzen, den beteiligten Kollaborationspartnern verschiedene
Varianten und Revisionsstände seines Modells zur Verfügung zu stellen. Auf diese
Weise kann der ursprünglich iterative und sequenzielle Prozess der
Systemintegration auf allen Ebenen parallelisiert und deutlich effizienter gestaltet
werden, da jedes Subsystem in unterschiedlichen Ausprägungen simultan in
verschiedenen Prozesskonzeptvarianten untersucht werden kann.
Die Architektur und Implementierung sowie beispielhafte Anwendung und Bewertung
einer solchen verteilten Systemintegrationsumgebung ist Gegenstand des Vortrags.
25
Enrichment of Components at Vapour-Liquid Interfaces: a Study by Molecular Simulation and Density Gradient Theory
Simon Stephan, Kai Langenbach, Hans Hasse
Laboratory of Engineering Thermodynamics (LTD) TU Kaiserslautern, Germany
In separation processes not only thermodynamic bulk but also interfacial properties play a crucial role. In classical theory, a vapour-liquid interface is a two-dimensional object. In reality it is a region in which properties change over a few nanometres and the density changes smoothly from its liquid bulk to its gas bulk value. Unexpected effects are observed in that transition region for many mixtures. While the total density changes monotonously from the bulk vapour to the bulk liquid, this does not hold for the molarities of the components. The molarities of the light boiling component can have a distinct maximum at the interface. That maximum would be an insurmountable obstacle to mass transfer according to the Fickian theory. Even if that argument is not adopted, it shows that there are good reasons to believe that the maximum may affect mass transfer and, hence, fluid separation processes like adsorption or distillation. Unfortunately, there are presently no experimental methods that could be used for direct studies of density profiles in such interfacial regions. But such data can be obtained with theoretical methods, for example with molecular simulations or density gradient theory (DGT). Using two different techniques of non-equilibrium molecular dynamics simulation it is shown that the enrichment has an influence on the mass transfer. A mass flux through a vapour-liquid interface is imposed which enables an estimation of the diffusivities. This is done for a model mixture exhibiting enrichment and a mixture without enrichment, which reveals that the enrichment has an influence of approximately an order of magnitude on the diffusivities. Both molecular dynamics simulations (MD) and density gradient theory (DGT) are used for the investigation of the occurrence of an interfacial enrichment at vapour-liquid interfaces. Both model fluids and real mixtures are systematically investigated to discover the interplay between molecular interactions and the occurrence of enrichment. The study is designed such that a variety of technically important types of phase behaviour is covered (narrow/wide boiling, ideal/non-ideal, subcritical/supercritical components). Strong enrichment is found in highly asymmetric mixtures. Furthermore, strong enrichment is observed at low mole-fraction of the light boiling component, and at low temperatures. The results indicate that mixtures that are typical for absorption processes usually show an important enrichment, whereas this is not the case for mixtures that are typically separated by distillation. Possible consequences of this finding for the modelling of theses separation processes are discussed.
26
Einfluss nicht-idealer Stoffsystemeigenschaften auf das Prozessverhalten der reaktiven Trennwandkolonne
L.-S. Harding, G. Fieg, Technische Universität Hamburg, Hamburg/Deutschland
Im zunehmend stärker werdenden globalen Wettbewerb der chemischen Industrie
wird die Prozessintegration als bewährte Methode zur Effizienzsteigerung von
Produktionsprozessen eingesetzt. Die reaktive Trennwandkolonne (RTWK) ist ein
Beispiel für einen hoch-integrierten Apparat, der die Apparate der Reaktivrektifikation
und Trennwandkolonne in nur einer Kolonnenhülle kombiniert. Gegenüber
Verfahrensalternativen ermöglicht die RTWK somit erhebliche Einsparungen in
Investitionen und Betriebskosten. Aufgrund des hohen Integrationsgrades weist die
RTWK allerdings ein stark nicht-lineares und somit äußerst komplexes
Prozessverhalten auf. Fundiertes Prozessverständnis, geeignete
Auslegungsmethoden sowie ein sicherer und stabiler Betrieb sind somit essentiell für
den industriellen Einsatz der RTWK.
Ziel unserer Forschung ist es, den Prozess der RTWK ganzheitlich zu untersuchen.
Durch systematische, simulative und experimentelle Studien sollen dabei die
Funktionalität und Effizienz der RTWK nachgewiesen und umfangreiches
Prozesswissen und –verständnis generiert werden. Basis für die Untersuchungen ist
die Entwicklung zuverlässiger Auslegungs- und Analysemethoden, mit Hilfe derer
das Prozessverhalten gezielt analysiert werden kann. Der Fokus der Analysen wird
darauf gelegt, Zusammenhänge zwischen den Auslegungsparametern zu ermitteln
und besonders sensitive Prozessparameter zu identifizieren, so dass eine
zuverlässige Auslegung und ein stabiler Betrieb der RTWK sichergestellt werden
können.
In dieser Präsentation wird das ganzheitliche Forschungskonzept zunächst detailliert
dargelegt. Dabei wird das betrachtete Stoffsystem, das flexible Simulationsmodell
sowie die entwickelten Analysemethoden, als Basis der durchgeführten
Untersuchungen, vorgestellt. Konkrete Ergebnisse zum Einfluss nicht-idealer
Stoffsystemeigenschaften auf das Prozessverhalten der RTWK werden diskutiert und
besonders sensitive Prozessparameter aufgezeigt.
27
Systematische Untersuchungen des Stofftransports in Rotating Packed Beds – Konzeption und erste Ergebnisse
M. Hilpert, J.-U. Repke, TU Berlin, Berlin/Deutschland
Einen Ansatz zur Intensivierung klassischer Destillationsprozesse stellen Rotating
Packed Beds (RPBs) dar. In einem RPB wird eine hohlzylinderförmige Packung in
Rotation von bis zu 2000 min-1 versetzt. Flüssigkeit wird in der Rotationsachse
aufgegeben und strömt infolge der Beschleunigung durch die Packung radial nach
außen, während Dampf druckgetrieben im Gegenstrom nach innen strömt (Abb.).
Aufgrund der Rotationskräfte kommt es zur Bildung hoher spezifischer Oberflächen
und zum intensiven Stoff- und Wärmeübergang. Weiterhin sind in einem RPB
deutlich höhere Durchsätze erreichbar als in konventionellen Kolonnen. Dadurch ist
eine kompaktere Bauweise möglich, die Investitionskosten und Raumbedarf
erheblich senken kann. [1]
Eine erfolgreiche Modellierung des Trennverhaltens von RPBs ist Voraussetzung für
das korrekte Design und damit eine Vermeidung aufwändiger Pilotierungsschritte zur
Auslegung von RPB-Anlagen. Obwohl die Nutzung von RPBs zur Destillation bereits
in den 1980er Jahren vorgeschlagen wurde, sind den Autoren keine Publikationen
zur Mehrkomponentenrektifikation in RPBs bekannt, die zur Modellvalidierung dienen
könnten. Ebenso fehlen Publikationen mit ausreichend dokumentierten Rohdaten der
Rektifikation binärer Gemische, die als Basis zur Erstellung von Korrelationen nötig
sind.
Daher wurde an der TU Berlin ein RPB-Versuchstand im Technikumsmaßstab
aufgebaut. An diesem sind neben Ab- und Desorptions- insbesondere auch
Rektifikationsversuche bei endlichem und unendlichem Rücklauf in einem technisch
relevanten hydrodynamischen Betriebsbereich möglich. Im Beitrag werden der
Versuchstand vorgestellt, der Versuchsplan diskutiert und erste Ergebnisse
präsentiert.
28
Abbildung. Prinzipskizze [1] und CAD-Modell des konzeptionierten RPBs.
Literatur [1] G. E. Cortes Garcia, J. van der Schaaf, A. A. Kiss, J. Chem. Technol. Biotechnol.
2017, 92 (6), 1136 - 1156.
29
Quo vadis zyklische Destillation? Untersuchungen zum zyklischen Betrieb einer Kolonne im
industriellen Maßstab Jürgen Paschold, Carsten Knösche, Torsten Andres, BASF SE,
Ludwigshafen/Deutschland
Eine der frühsten Veröffentlichungen zum Betrieb von Destillationskolonnen im
zyklischen Modus datiert auf das Jahr 1952 (Cannon, 1952). In den folgenden
Jahrzehnten wurden zahlreiche theoretische wie auch experimentelle
Untersuchungen zum Thema veröffentlicht. Einen vorläufigen Höhepunkt fand das
Interesse Mitte der 1980-iger Jahre. Danach ebbte die Zahl der Veröffentlichungen
vermutlich aufgrund von Problemen bei der praktischen Umsetzung des zyklischen
Betriebs rasch ab. 2011 veröffentlichte Maleta et. al. (Maleta, 2011) eine neue
Konstruktion eines zyklischen Stoffaustauschbodens, der eine vielversprechende,
apparative Möglichkeit zur Realisierung des zyklischen Kolonnenbetriebs darstellt.
Damit wurde das Interesse an dieser Technologie neu entfacht.
In diesem Beitrag werden Untersuchungsergebnisse zum zyklischen Betrieb einer
Kolonne im industriellen Maßstab (Ø500 mm) vorgestellt. Zum Einsatz kommen
hierbei neu entwickelte Schleusenböden, welche sich gegenüber der bekannten
Variante von Maleta durch eine Reihe von Vorteilen auszeichnen.
Neben der Betreibbarkeit der Anlage wird im Vortrag auf den Vergleich der
Trennleistung der im zyklischen Modus betriebenen Böden mit der konventioneller
Querstromböden im kontinuierlichen Kolonnenbetrieb eingegangen. Abschließend
werden Limitierungen, die den bereiten Einsatz der Technologie einschränken,
diskutiert.
Literatur:
Cannon, M. R., Oil Gas J. 51, 1952
Maleta et. al., Chemical Engineering and Processing, 50, 2011
Knösche et. al., PN Jahrestreffen der Fachgruppe Fluidverfahrenstechnik, 2015
30
Charakterisierung einer automatisierten Drehbandkolonne als Modul zur kontinuierlichen Rektifikation im Labor
L. Bittorf, D. Neumann, N. Böttger, N. Kockmann
TU Dortmund, Apparatedesign, Dortmund
Die Modularisierung von Prozessanlagen sowie der zunehmende Wandel in der
Pharma-, Fein- und Spezialchemieindustrie von Batch-zu-Konti-Anlagen spielt eine
immer größer werdende Rolle. Die Nachfrage für kleinskalige, kontinuierlich
betriebene und intelligente Module steigt. Mithilfe einer vollautomatisierten
Drehbandkolonne wird ein Modul zur Rektifikation im Labormaßstab umgesetzt. Die
Drehbandkolonne zeichnet sich durch einen geringen Hold-up und Druckverlust bei
hoher Trennleistung aus [1]. Zum Einsatz in modularen Anlagen ist eine genaue
Kenntnis über das Betriebsfenster sowie der Trennleistung für verschiedene
Anwendungen von hoher Wichtigkeit. In ersten Versuchen wurde die Kolonne mit
dem Stoffsystem Methanol/Ethanol charakterisiert und ein stabiler, robuster Betrieb
nachgewiesen. Um eine bessere Vergleichbarkeit mit herkömmlichen Laborkolonnen
zu realisieren, werden Ergebnisse zur Charakterisierung mit dem Stoffsystem n-
Heptan/Methylcyclohexan vorgestellt.
Die Automatisierung der Kolonne als intelligentes Modul nach der NE148 [2] soll
dazu beitragen, das Modul mit einem Module Type Package (MTP) zu versehen und
in Form einer Dienste-orientierten Architektur zu betreiben. Am Beispiel der
Drehbandkolonne wird erläutert, wie ein solches Automatisierungskonzept für
Kolonnen als Modul in einer modularen Anlage umgesetzt werden kann.
Diese Arbeit wird im Rahmen der ENPRO 2.0 Initiative vom BMWi finanziell
unterstützt (FKZ 03ET1517-B).
[1] S.F. Birch, V. Gripp, W.S. Nathan, J. Chem. Technol. Biotechnol. 1947, 66 (2), S.
33-40. DOI: 10.1002/jctb.5000660201
[2] NE 148, Anforderungen an die Automatisierungstechnik durch die
Modularisierung verfahrenstechnischer Anlagen, 10/2013
31
Bestimmung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche in Anstaupackungen mittels ultraschneller Röntgentomographie J. Sohr1, M. Bieberle2, M. Schubert2, S. Flechsig3, E.Y. Kenig3, U. Hampel1,2
1Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik, Dresden/D 2Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Institut für Fluiddynamik, Dresden/D
3Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn/D
Durch die alternierend angeordneten Packungslagen mit unterschiedlichen
geometrischen Oberflächen bilden sich in Anstaupackungen abhängig von den
Betriebsbedingungen Filmströmung und Sprudelschicht gleichzeitig aus. Der
intensive Kontakt zwischen der Gas- und Flüssigkeitsphase in den sprudelnden
Bereichen der Anstaupackung führt zu einer Trenneffizienzsteigerung von bis zu
30 % im Vergleich zu konventionell gepackten Kolonnen [1]. Zur Abschätzung der
Beiträge der jeweiligen Bereiche mit unterschiedlichen Strömungsregimen zur
Gesamttrennleistung ist die Kenntnis der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche erforderlich.
Die Grenzfläche kann mittels
ultraschneller Röntgentomographie
bestimmt werden, welche die
dynamischen Strömungsstrukturen
mit einer Bildrate von 1000 Bildern
pro Sekunde erfasst. Mithilfe eines
modifizierten Level-set-Algorithmus
wird die Phasengrenze zwischen Gas
einerseits und Flüssigkeit sowie
Metallpackung andererseits in den Querschnittsbildern detektiert (Abb.1).
In diesem Beitrag werden sowohl die Methodik zur Bestimmung der
Phasengrenzfläche als auch Ergebnisse für unterschiedliche Gas- und
Flüssigkeitsbelastungen bei verschiedenen Packungskombinationen präsentiert.
Wir danken der DFG für die finanzielle Unterstützung des Kooperationsprojekts
"Experimentelle und theoretische Untersuchung der Fluiddynamik und des
Stofftrennverhaltens von Anstaupackungen" (KE 837/26-1, HA 3088/10-1).
[1] M. Jödecke, T. Friese, G. Schuch, B. Kaibel, H. Jansen, Institution of Chemical Engineers Symposium Series, Institution of Chemical Engineers, 2006, Vol.152, pp. 786–789.
a bAbbildung 1: Querschnittsbilder von Anstaulage (a) und Abscheidelage (b) einer Anstaupackung, Phasentrennlinie (rot) zwischen Gas (schwarz) und Flüssigkeit sowie Strukturpackung (grau).
32
Fortschritte im Bereich miniaturisierter Messaufbauten als Scale-up-Werkzeug für strukturierte Packungskolonnen
J. H. Brinkmann, M. Grünewald, M. Hapke, D. Plate,
Ruhr-Universität Bochum, Bochum/Deutschland
Die Trennung von fluiden Stoffgemischen in Kolonnen mit strukturierten Packungen
findet in vielen Fällen durch die hohe Trennleistung bei gleichzeitig geringem Druck-
verlust viele Anwendungen. Für den Scale-up derartiger Packungskolonnen ist es
derzeit oftmals notwendig aus dem Labor-Maßstab einen Zwischenschritt über den
Technikums-Maßstab durchzuführen, um letztendlich die industrielle Anlage
auszulegen. Im Technikums-Maßstab ist es aus sicherheitstechnischen Gründen
schwerer toxische oder umweltschädigende Substanzen zu benutzen. Trotz des
Zwischenschritts beim Scale-up werden bei diesem Verfahren Sicherheitszuschläge
verwendet. Dies führt insgesamt zu einem Prozess, welcher zeitaufwendig und mit
hohen Kosten verbunden ist.
Ein innovativer Ansatz um den Prozess des Scale-ups zu vereinfachen und damit
Kosten zu senken ist es mittels eines miniaturisierten Aufbaus Modellparameter für
die Auslegung von Packungskolonnen zu bestimmen. Dafür ist es in einem ersten
Schritt notwendig eben jene Miniaturmesszelle weiterzuentwickeln, um so die Modell-
parameter präziser bestimmen zu können. Weiterhin ist es notwendig die zu Grunde
liegenden fluiddynamischen Phänomene besser zu verstehen. Die aus der Miniatur-
messzelle gewonnenen Modellparameter können anschließend in einem rate-based
Zellenmodel verwendet werden, um die Kolonnenauslegung durchzuführen.
Im Einzelnen wurden der spezifische Druckverlust und der Hold-up in der
Miniaturmesszelle vermessen. Hierbei wurde vor allem der Einfluss der
Blechlagenzahl genauer untersucht, damit Skalierungseffekte genauer verstanden
werden können. Die mit Hilfe des miniaturisierten Aufbaus gewonnen Größen sollen
hierbei den fluiddynamischen Zustand einer Packungskolonne nur soweit
wiedergeben, wie es für die Modellierung notwendig ist. Unterschiede zwischen einer
Packungskolonne können deswegen entweder durch Modellierungsparameter oder
durch eine Veränderung des experimentellen Setups realisiert werden. Deswegen
wurde geprüft, ob die bei Packungskolonnen üblichen Randabweiser nötig sind und
inwiefern der Abstand zwischen Wand und Packung Einflüsse auf die Fluiddynamik
habe.
33
Das korrekte Design von Flüssigkeitsverteilern - viel wichtiger als man denkt!
Ralf Proplesch, DSM Nutritional Products AG, Asset Technology, Sisseln / Schweiz
Die Ungleichheit der Flüssigkeitsverteilung in Packungskolonnen ist beim Trouble-shooting von industriellen Rektifikationsprozessen eine der häufigsten genannten Ursachen für eine verminderte Trennleistung [1]. Um einer potentiellen Maldistribution der Flüssigkeit im Packungssegment entgegen zu wirken, sollte die Flüssigkeits-aufgabe oberhalb der Packung mittels eines Flüssigkeitsverteilers möglichst ideal bzw. gleichmässig erfolgen. Ein idealer Flüssigkeitsverteiler ist daher durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:
1. sehr grosse Anzahl an Tropfstellen (hohe Tropfstellendichte) 2. gleichmässige geometrische Anordnung der Tropfstellen über dem Kolonnen-
querschnitt (hohe Verteilungsgüte) 3. einheitlicher Abfluss an den Tropfstellen über einen großen Lastbereich 4. geringe Verstopfungsanfälligkeit
Neben diesen Anforderungen bzgl. einer möglichst dauerhaft gleichmässigen Flüssigkeitsverteilung, gibt es weitere technisch konstruktive Anforderungen:
5. möglichst geringer Druckverlust für die Dampfströmung 6. vernachlässigbare Bauhöhe 7. minimaler Holdup 8. einfach herzustellen und zu installieren
Um die maximale Trennleistung eines Packungsbettes zu realisieren, sind eine möglichst grosse Tropfstellendichte und eine möglichst hohe Verteilungsgüte essentiell. Im Rahmen dieses Vortrages werden neben der Vorstellung der verschiedenen Verteilersysteme die in der Literatur verfügbaren Vorgaben bzw. Berechnungsmethoden bzgl. minimaler Tropfstellendichte und Verteilungsgüte diskutiert [2].
Darüber hinaus wird ein Beispiel aus der Praxis vorgestellt, wo nach erfolgreichen Miniplant- und Pilotplant-Versuchen, die gewünschte Trennung bei der Inbetrieb-nahme der industriellen Kolonne zuerst nicht realisiert werden konnte. Erst nachdem ein Flüssigkeitsverteiler mit einer wesentlich höheren Tropfstellendichte verwendet wurde, konnten die geforderten Produktreinheiten erreicht werden.
[1] What caused tower malfunctions in the last 50 years; Kister. H.; Trans IChemE, Vol 81, Part A, January 2003.
[2] Pour/Drip Point Density Estimations for Packed Columns with Structured Packings; Cai. T.; presentation on the 11th International Conference on Distillation and Absorption in Florence; 2018.
34
Trennleistungsmessungen mit Stoffgemischen erhöhter Viskosität und nicht-verdampfenden Komponenten
Sven Gutperl, Gerrit Dierking, Christian Bradtmöller, Stephan Scholl
TU Braunschweig, Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Für Trennleistungsmessungen kommen bislang standardisierte Testgemische
organischer Lösemittel mit geringer Viskosität zum Einsatz, sodass die bekannten
Modelle vor allem bei Stoffgemischen mit erhöhter Viskosität die erreichbare Trenn-
leistung deutlich überschätzen [1] und Trennleistungsmessungen bei erhöhter
Viskosität erforderlich sind.
Gemischviskositäten ≤ 6 mPa⋅s unter Rektifikationsbedingungen können noch mit
Zweistoffgemischen organischer Lösemittel erreicht werden [2]. Eine weitere Stei-
gerung der Viskosität erfordert die Zugabe nicht-flüchtiger Komponenten, wobei
hierfür insb. Polymere zum Einsatz kommen [3, 4]. Die nicht-flüchtige Komponente
wird am Kolonnenkopf zugegeben und erhöht die Viskosität der flüssigen Phase über
die gesamte Kolonnenhöhe. Da sie sich jedoch im Sumpf der Kolonne anreichert,
wird eine Produktausschleusung erforderlich, sodass Trennleistungsmessungen mit
nicht-verdampfenden Komponenten nicht bei vollständigem Rücklauf durchgeführt
werden können und eine neuartige Anlagenbetriebsweise erfordern. In dem Beitrag
werden deshalb Konzeptionierung und anlagentechnische Umsetzung vorgestellt.
Mittels Simulationsrechnungen können Bedingungen identifiziert werden, die
Trennleistungsmessungen bis ca. 50 mPa⋅s bei Rektifikationsbedingungen erlauben.
Ausgehend von der Konzeptionierung einer geeigneten, neuartigen Anlagen-
betriebsweise werden die damit verbundenen Herausforderungen bzgl. Produktaus-
schleusung, Polymerkonzentration und Gemischviskosität sowie totalem Rücklauf
näher beleuchtet. Darauf aufbauend sollen erste experimentelle Ergebnisse aus
Versuchen mit Stoffgemischen mit nicht-verdampfender Komponente vorgestellt
werden.
[1] Bradtmöller, C., Scholl, S.: Chem. Eng. Res. Des.: Part A 99 (2015): 75-86. [2] Bradtmöller, C., Scholl, S.: J. Chem. Eng. Data 61 (2016) 1: 272-285. [3] Böcker, S., Ronge, G.: Chem. Eng. Technol. 28 (2005): 25-28. [4] Gutperl, S., Scholl, S.: Chem. Ing. Tech. 90 (2018): 1315
35
Membrantechnik Vorträge
36
Modellierung des Wärme- und Stofftransports in Membranbefeuchtern für PEM-Brennstoffzellen
Florian Wolfenstetter 1, Maximilian Neumann1, Sebastian Rehfeldt 1, Michael Bauer 2, Marc Becker 2, Harald Klein 1 1:Technische Universität München, Fakultät für Maschinenwesen, Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik, Garching 2: BMW Group, Taunusstr. 41, 80788 München
In automobilen PEM-Brennstoffzellen stellt die Kathodenbefeuchtung mittels passiver
Membranbefeuchter eine bevorzugte Methode zur Steigerung der Effizienz dar.
Dabei wird eine ausreichende Feuchtigkeit in der Zelle durch eine Aufsättigung des
trockenen Frischluftstroms gewährleistet. Um ein besseres Verständnis für die
Vorgänge und Einflussparameter innerhalb eines solchen Membranbefeuchters zu
erhalten, wurde ein Modell für die Berechnung des Stofftransports bei verschiedenen
Betriebsbedingungen entwickelt.
In einem Membranbefeuchter wird der trockene Frischluftstrom und der feuchte
Abgasstrom aus der Brennstoffzelle über eine semipermeable Membran in Kontakt
gebracht, um den Stoffübergang von Wasser auf die trockene Seite zu ermöglichen.
Die Gase strömen hierbei durch Kanäle eines Flussfeldes, welche üblicherweise im
Kreuz- oder Gegenstrom angeordnet sind.
Für die Modellierung des Wärme- und Stoffübergangs wird ein einzelner Kanal des
Membranbefeuchters betrachtet und örtlich in Zellen diskretisiert. Ausgehend von
den Erhaltungsgleichungen von Masse und Energie wird ein eindimensionales
Modell entwickelt, welches den lokalen Wasserübertrag in jeder Zelle beschreibt. Der
Einfluss der Strömungsverhältnisse auf den Wärme- und Stoffübergang wird hierbei
durch Nußelt- und Sherwood-Korrelationen abgebildet, wobei auch Einlaufeffekte
berücksichtigt werden. Die Stoffdaten werden in Abhängigkeit von Temperatur, Druck
und Wassergehalt der feuchten Luft berechnet. Ein verbreitetes Membranmaterial für
diese Anwendung ist Nafion®, ein perfluoriertes Copolymer mit Sulfonsäuregruppen
der Firma DuPont. Für die Stofftransporteigenschaften der Membran werden
Korrelationen aus Literaturquellen zu diesem Material verwendet.
Die Ergebnisse werden anhand von experimentell bestimmten Messdaten validiert
und geben Aufschluss über den Einfluss der Betriebsbedingungen und
verschiedener Stofftransportwiderstände. [1] [1] Cahalan, T, et al.: Analysis of membranes used in external membrane humidification of PEM fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy 2017, 42(22), 15370-15384. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.03.215
37
Prozessoptimierung durch Einsatz einer Elektrodialyse bei der Produktion einer pharma grade Aminosäure Nils Warmeling1, Dr. Lutz Thomas2, Prof. Dr.-Ing. Stephan Scholl1
1TU Braunschweig Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik 2Amino GmbH
Die Steigerung der Wertproduktausbeute durch Aufarbeitung von Neben- oder Aus-
schleuseströmen ist ein zentraler Ansatz zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von
Produktionsverfahren. Bei der Produktion hochreiner Aminosäuren für den pharma-
zeutischen, medizinischen und Lebensmittelbereich wird nach der Kristallisation der
Aminosäuren die sogenannte Mutterlauge als Nebenstrom erhalten. Diese enthält,
neben einer großen Salzfracht, einen erheblichen Anteil der Zielaminosäure. Diese
soll zurück gewonnen und zur weiteren Aufreinigung dem Hauptprozess zugeführt
werden bei gleichzeitiger Ausschleusung der Salze.
Dafür wurde als Trennoperation eine Elektrodialyse untersucht. Unter Einsatz eines
elektrischen Feldes und einer ionenselektiven Membran können ionische Spezies
getrennt werden. Dadurch kann die Mutterlauge entsalzt und neutralisiert werden,
um anschließend in den Hauptprozess rezykliert zu werden. Durch die Ausbildung
von Hydrathüllen und Diffusionserscheinungen kommt es des Weiteren zu einer
Reduktion des Lösungsvolumens, wodurch die energetischen Aufwendungen zusätz-
lich verringert werden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass das Zielprodukt ebenso
durch das aufgeprägte elektrische Feld beeinflusst werden kann.
Die Elektrodialyse wird in einer Miniplantanlage experimentell untersucht, um geeig-
nete Prozessparameter zu identifizieren. Die geplante Einbindung in das industrielle
Verfahren wird durch eine Abbildung mittels Fließbildsimulation unterstützt. Dafür
muss die Elektrodialyse modelliert und in die Fließbildsimulation eingebracht werden.
Dies erlaubt die Berücksichtigung der Auswirkung der in der Elektrodialyse erzielten
Trennleistung auf die Verfahrensweise des Hauptprozesses und damit eine
integrierte Optimierung des Gesamtverfahrens. Durch Einsatz der Elektrodialyse
kann, neben einer Reduzierung des bestehenden Gerätbestands, eine
Produktrückgewinnung um bis zu 90 %, bei gleichzeitiger Reduzierung des
Flüssigkeitsvolumens um 15 %, erreicht werden. Präsentiert werden experimentelle
und simulative Ergebnisse, um das beschriebene Vorgehen zu verdeutlichen.
38
Scale-up keramischer Nanofiltrationsmembranen zur Aufbereitung salzhaltiger Bergbauabwässer
I. Voigt1, P. Puhlfürß1; M. Weyd1, H. Richter1, V. Prehn2, Ch. Günther2 1Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Hermsdorf
2 Rauschert Kloster Veilsdorf GmbH
Charakteristisch für die Entsalzungseigenschaften der Nanofiltrationsmembranen ist das
hohe Rückhaltevermögen für mehrwertige Salze (Härtebildner, Ca2+, Mg2+, SO42-). In Ver-
bindung mit der Rückhaltung gelöster organischer Verbindungen eignen sich die Membra-
nen damit besonders für die Vorbehandlung bei der Umkehrosmose.
In Zusammenarbeit mit Shell Global Solutions International B.V., der Shell Canada Ltd.
(Shell) und der Andreas Junghans & Co. KG wurden 2013-2015 keramische NF-
Membranen zur Wasseraufbereitung auf einem Ölsandfeld in Canada getestet. Das Ziel
dieses Projektes war die Nutzbarmachung von „Recycle water“ für die Bereitung von Kes-
selspeisewasser. Bisher wird hier Flusswasser mit Hilfe von polymeren Mikrofiltrations-
membranen vorgereinigt und anschließend mit polymeren Umkehrosmosemembranen
entsalzt. Eine Aufbereitung von „Recycle water“ ist auf diese Weise wegen des Restöl-
und Feststoffgehaltes nicht möglich.
Mit den 19-Kanal-NF-Membranen (0,25 m2/Element) konnte gezeigt werden, dass Erdal-
kaliionen (Ca, Mg) zu 80 % und Alkaliionen (Na, K) zu 55 % abgetrennt werden. Gleichzei-
tig werden organische Bestandteile vollständig zurückgehalten. Die großen Mengen Kes-
selspeisewasser lassen sich aus Membrankostengründen mit den 19-Kanal-NF-
Membranen nicht wirtschaftlich aufbereiten. Ein wichtiger Weg zur Herabsetzung der Her-
stellungskosten ist die Vergrößerung der Membranfläche pro Membranelement und damit
die Reduzierung des flächenspezifischen Handlingsaufwandes. In einem ersten Scale-up-
Schritt wurden keramische NF-Membranen auf 151-Kanal-Rohren mit einer
Membranfläche von 1,3 m2/Element entwickelt und damit die Membranfläche pro Element
verfünffacht. Mit diesen Membranelementen wurde eine Pilotanlage mit 234 m2
Membranfläche bestückt, die seit 2017 in Canada erfolgreich getestet wird. In einem aktu-
ellen vom BMBF geförderten Verbundprojekt (FKZ: FKZ: 03XP0096) wird die
Membranfläche pro Membranelement auf 4,5 m2 und 10 m2 weiter vergrößert. Ziel ist die
Entsalzung und Salzfraktionierung von Bergbauabwässern.
39
Two-stage post-combustion separation of CO2 from power plant flue gas
Patrik Klingberg1, Jan Pohlmann1, Torsten Brinkmann1, Holger Dörr2, Klaus Huber2, 1Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Institute of Polymer Research, Max-Planck-Str.1,
21502 Geesthacht, Germany 2DVGW Research Centre at Engler-Bunte-Institute (EBI) of Karlsruhe Institute of
Technology (KIT), Engler-Bunte-Ring 7, D-76131 Karlsruhe, Germany
A novel post-combustion two-stage gas permeation process is presented and two-
stage separation of carbon dioxide from coal-fired power plant flue gas using a
standard Polyoctylmethylsiloxane (POMS) membrane (1st stage) and a highly
CO2/N2-selective PolyActive™ membrane (2nd stage) was investigated. The stability
of the membrane during operation is reported. Aerosol size distribution
measurements with a scanning mobility particle sizer (SMPS) were done in order to
investigate the influence of nm-size aerosols on the membrane stability.
Up to 82 vol-% of CO2 in the 2nd stage permeate could be achieved even by using
the relative low CO2/N2-selective POMS membrane in the 1st stage. The pilot plant
was operated during a time period of almost two months. The results do underpin,
that post-combustion gas permeation may be a good choice for CO2 separation from
power plants, which are nowadays started up and shut down as well as switched to
partial load several times a month. Nevertheless, blocking of the 1st stage membrane
material, leading to a significant decrease of permeance, has to be reported. This
issue can be solved using a pre-filter material with high aerosol separation efficiency,
as shown by SMPS results.
40
Efficient natural gas sweetening with Linde HISELECT™ powered by
Evonik membranes Patrick Schiffmann, Christian Voss, Linde AG, Engineering Division,
Dr.-Carl-von-Linde-Straße 6-14, 82049 Pullach/Deutschland
Membrane processes are an established separation technology in the chemical and
petrochemical industry. For natural gas sweetening, cellulose acetate (CA)
membranes in spiral wound membrane modules have been applied for over 20
years. With the worldwide increasing demand of natural gas as energy source, the
membrane market will also grow in the next decades.
Although providing some clear advantages over other separation technologies as
amine wash, membranes only play a minor role in natural gas sweetening. Main
factors limiting their application are hydrocarbon loss, plasticization and sensitivity
towards heavy hydrocarbons (HHC) and other trace components like H2S and NH3.
This vulnerability requires adequate pre-treatment units and on-demand membrane
exchange to keep the plant performance at the designed level.
These requirements are handled with the introduction of the new HISELECT™
membrane, a high selective membrane with increased long-term stability. The
polyimide hollow fiber membrane is more efficient in reducing the CO2 content of
natural gas. It shows enhanced selectivity towards CO2, which reduces the
necessary membrane area as well as the recycle-flow in two stage processes.
Additionally, the long-term stability of the HISELECT™ membrane in presence of
high CO2 and HHC concentrations is a tremendous advantage as the life cycle of a
membrane module is considerably improved.
The optimized performance of this membrane has been successfully proven in
several field tests. HISELECT™ membranes show higher selectivity and stability
compared to conventional membrane types over extended periods. This increases
the methane recovery rate in the sales gas. In a two-stage process, the recycle flow
and thus the compressor rating were reduced. Additionally, due to the innovative
design, these membrane modules are more resistant against pressure surges and
other operating malfunctions, which reduces the number of shutdowns.
All these advantages, combined in the new HISELECT™ membrane, will reduce
operating costs and increase profits of membrane CO2 gas separation plants.
41
Novel TFCM for high Temperature Gas Separations Fynn Weigelt1, Sara Escorihuela2, Alberto Descalzo1, Alberto Tena1, Sonia
Escolástico2, Sergey Shishatskiy1, Jose Manuel Serra2, Torsten Brinkmann1
1Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Institute of Polymer Research, Max-Planck-Str.1,
21502 Geesthacht, Germany 2Instituto de Tecnología Química (UPV-CSIC), Universitat Politècnica de València,
Avda. Los Naranjos, s/n, 46022 Valencia, Spain
Novel selective thin-film composite membranes (TFCM) for applications at elevated
temperatures were produced. Selective layers of the polyimides Matrimid 5218® and
6FDA-6FpDA were casted by single step dip-coating on a polymeric porous support.
The novel polymeric porous support was produced from PBI (Polybenzimidazole).
The PBI was casted by phase inversion on a non-woven PPS (Polyphenylene
sulfide) to obtain a porous structure. The new TFCM are stable for applications at
elevated temperatures up to 270°C. The effect of the temperature on the permeance
of the prepared membranes was studied for H2, CH4, N2, O2, and CO2. The
activation energy of permeance for hydrogen was higher than for CO2, resulting in
the increase of H2/CO2 selectivity with increasing temperatures as shown in Figure 1.
In addition, the improvement of selectivity with temperature is more pronounced for
Matrimid® compared to 6FDA-6FpDA selective layers.
Figure 1. Selectivity of H2/CO2 for different TFCM (left: Matrimid®, right: 6FDA-
6FpDA) for temperatures up to 270°C.
Due to the high temperature stability of the polymeric TFCM, the membranes can be
used in catalytic membrane reactors, e.g. water-gas shift reaction, to maximize the
per-pass H2 yield.
42
Untersuchung des Stofftransportes in Kohlenstoffmembranen bei der Hochdruckgastrennung N. Kruse*, G. Braun*, J.-U. Repke**
* TH Köln, ** TU Berlin
Kohlenstoffmembranen ermöglichen die Trennung fluider Gemische bei hohen
Temperaturen und Drücken. Selbst bei überkritischen Medien können sie eingesetzt
werden. Während Polymehrmembranen bei diesen Bedingungen an ihre Grenzen
stoßen, weisen Kohlenstoffmembranen keine Reduzierung von mechanischer
Festigkeit durch Quellung auf.
In der chemischen Industrie besteht ein großer Bedarf an effizienten
Trennoperationen welche bei hohen Drücke und Temperaturen durchgeführt werden
können. Für Reaktionen wie z.B. die Wassergas-Shift-Reaktion oder
Dehydrierungsreaktionen kann das Reaktionsgleichgewicht unter
Reaktionsbedingungen durch selektives Abtrennen der Produkte gezielt verschoben
werden. So könnte die Ausbeute und Effizienz des Prozesses durch den Einsatz von
Membranen erhöht werden. Obwohl Kohlenstoffmembranen für den Einsatz bei
Hochdruckbedingungen geeignet sind, liegen bisher nur sehr wenige
Forschungsergebnisse für die Hochdruckgastrennung mit Kohlenstoffmembranen
vor.
Für den Einsatz von Kohlenstoffmembranen für Hochdrucktrennoperationen ist es
wesentlich, die für den Stofftransport durch die Membran relevanten
Zusammenhänge zu verstehen und beschreiben zu können. Dafür wurden in diesem
Beitrag Permeationsversuche mit Einzelgasen und binären Gasmischungen bis zu
einem Druck von 20 MPa durchgeführt. In einem weiteren Schritt wurde ein Modell
basierend auf der Maxwell-Steffan-Diffusion entwickelt, mit dem das
Membranverhalten über einen großen Druckbereich abgebildet werden kann.
Untersucht wurde auch der Einfluss von hohen Partialdrücke auf die Quellung der
Membrantrennschicht. Die Quellung von Kohlenstoffmaterial ist lange bekannt,
wurde für Kohlenstoffmembranen bislang aber nicht untersucht. Für die Vermessung
der Quellung wurde eine Apparatur mit einer per Tunnelstrom geregelten Sonde
entwickelt, die bei einem Druck bis 20 MPa eingesetzt werden kann. Messungen mit
43
der Apparatur haben eine Volumenzunahme des Kohlenstoffes ergeben, deren
Größenordnung bei hohen Drücke einen deutlichen Einfluss auf den Stofftransport
nahelegt. Auch bei der Modellierung des Stofftransportes hat sich gezeigt, dass der
Einfluss der Quellung berücksichtigt werden muss.
44
Ultrafiltration of nanoparticle stabilized Pickering emulsions and suspensions
M. Kempin, A. Drews, HTW Berlin, Germany
M. Kraume, TU Berlin, Germany
Pickering emulsions (PEs) are stabilized by colloidal particles. They have numerous
advantages compared with conventional surfactant-stabilized emulsions and thus are
promising alternatives for chemical reactions in liquid/liquid multiphase systems [1].
The catalyst is immobilized within the aqueous phase while reactants and products
predominate in the organic phase. To design an economically feasible process, an
efficient separation step is necessary to retain the catalyst. Skale et al. [2] showed
that the ultrafiltration of water-in-oil (w/o) PEs is possible. However, an unexpected
flux behaviour was observed as the permeability increased disproportionally with
pressure and fluxes of the PEs were even higher than the flux level of the pure
solvent 1-dodecene. The aim of this work is to explain this unexpected behaviour. To
determine the influence of silica nanoparticles with different hydrophobicity and
surface modification on permeate flux and membrane properties, suspensions were
filtered. When the nanoparticles showed gelling properties, flux levels where higher
than that of the pure solvent for all investigated particle mass fractions. The gel layer
height increased with increasing particle concentration. The effect of particle type and
concentration on the filterability of w/o-Pickering emulsions, on the rheological
behaviour and on the drop size distribution was also investigated. This work is
supposed to give a thorough understanding of the filtration behaviour of w/o-
Pickering emulsions, which is necessary to design an efficient separation step for
catalytic reaction processes in L/L multiphase systems.
Financial support by the German Research Foundation DFG (collaborative research
centre InPROMPT TRR 63, B6) is gratefully acknowledged. We thank Alfa Laval and
Wacker Chemie AG for kindly providing free membrane and particle samples.
[1] M. Pera-Titus, L. Leclercq, J.-M. Clacens, F. De Campo and V. Nardello-Rataj,
Pickering Interfacial Catalysis for Biphasic Systems: From Emulsion Design to Green
Reactions, Angew. Chem. Int. Ed. 54 (2015) 2006-2021.
[2] T. Skale, L. Hohl, M. Kraume and A. Drews, Feasibility of w/o Pickering emulsion
ultrafiltration, J. Membr. Sci. 535 (2017) 1-9.
45
Impact of concentration and temperature on the nanofiltration of succinic acid in caustic solution
K. Schlackl, Kompetenzzentrum Holz GmbH, 4040 Linz, Austria
R. Herchl, Lenzing AG, 4860 Lenzing, Austria
R.H. Bischof, Lenzing AG, 4860 Lenzing, Austria
W. Samhaber, Johannes Kepler University, 4040 Linz, Austria
Succinic acid is a promising bio-based platform chemical for different applications.
The state of the art of bio-based succinic acid production proceeds via fermentation
of starch glucose. Another possibility is to gain succinic acid directly from streams in
the Pulp and Viscose industry, thereby avoiding the use of edible resources to
provide platform chemicals. A promising method for the separation process is
nanofiltration. The influences of caustic (NaOH) concentration (1-5 mol/l), succinic
acid concentration (0.1-0.6 mol/l) and temperature (30 or 40 °C) on the retention of
succinic acid and NaOH as well as on the flux were investigated. For nanofiltration
the membrane NP030 from Microdyn Nadir is used. Experimental data was analysed
by using the Spiegler and Kedem model for NaOH and succinic acid retention.
The linear decrease of succinic acid retention with increasing feed concentration is
shown in Figure 1. As can be seen from Figure 2, the NaOH retention increases with
increasing succinic acid concentration due to the electroneutrality principle.
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60 30 °C 40 °C
Suc
cini
c ac
id re
tent
ion
[-]
c Succinic acid [mol/l]
1 M NaOH
Figure 1: Retention of succinic acid in 1 M NaOH Figure 2: Retention of caustic in 1 M NaOH at 4 kg/m²h permeate flux. at 4 kg/m²h permeate flux.
In addition to this the influence of different pretreatment conditions on the initial
performance of the membrane was investigated. Scanning electron microscopy
(SEM) and Infrared spectroscopy (FTIR) measurements were done to observe any
changes in the active membrane layer.
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
30 °C 40 °C
NaO
H re
tent
ion
[-]
c succinic acid [mol/l]
1 M NaOH
46
Ortsabhängigkeit des Filtrationsverhaltens polymerer Spiralwi-ckelmembranen
Martin Hartinger, Ulrich Kulozik,
Lehrstuhl für Lebensmittel- und Bioprozesstechnik
Technische Universität München, Freising/Deutschland
Die Fraktionierung von Proteinen ist ein relativ junges Anwendungsfeld der
Membrantrenntechnik. Dazu werden derzeit überwiegend keramische Mikrofiltrati-
onsmembranen mit definierten, röhrenförmigen Querschnitten im Crossflow-Modus
eingesetzt. An solchen Systemen wurde gezeigt, dass es wegen der Abnahme der
transmembranen Druckdifferenz (TMP) entlang des Fließweges zu einer starken
Deckschichtbildung im vorderen Teil des Moduls kommt, die in Richtung Ausgang
des Moduls graduell abnimmt. Demzufolge nimmt auch der Flux in Fließrichtung
ortsabhängig ab (Piry et al. 2008). Um das Deckschichtbildungsverhalten zu steuern
bzw. um ein homogeneres und verbessertes Filtrationsergebnis im gesamten Modul
zu erreichen, wurden für keramische Membranen Konzepte entwickelt, die die loka-
len Unterschiede im TMP ausgleichen (sog. uniform transmembrane pressure (UTP)-
bzw. Gradientenmembranen).
Alternativ zu keramischen Membranen können Spiralwickelmembranen (SWM) mit
weniger definierten Strömungskanälen für die Proteinfraktionierung eingesetzt wer-
den. In SWM halten netzartige Spacer den Strömungskanal offen. Sie verursachen
gleichzeitig erhebliche längenabhängige Druckverluste und fördern damit ein inho-
mogenes Filtrationsverhalten entlang der SWM. Zusätzlich ist es kaum möglich, den
lokalen Strömungszustand im Spacernetz exakt zu beschreiben. Ein Verständnis des
ortsabhängigen Filtrationsverhaltens und Ansätze zur Reduzierung von Ortseffekten
fehlen deshalb bisher. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden Konzepte entwickelt
und realisiert, um das ortsabhängige Filtrationsverhalten polymerer SWM aufzuklä-
ren. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse konnte die Filtrationsleistung maßgeb-
lich verbessert werden, indem Ortseffekte wie in keramischen UTP- oder
Gradientenmembranen gezielt reduziert wurden.
Piry, A.; Kühnl, W.; Grein, T.; Tolkach, A.; Ripperger, S.; Kulozik, U.; Length dependency of
flux and protein permeation in crossflow microfiltration of skimmed milk, J Membrane Sci.
325 (2008) 887–894.
47
Membrangestützte Abtrennung von Koppelprodukten und Katalysatorrückhalt in der Hydroaminomethylierung
Bettina Scharzeca, Jonas Holtköttera, Jonas Biangab, Andreas Vorholtb, Jens
Dreimannb, Mirko Skiborowskia, TU Dortmund, Fakultät für Bio- und Chemieingeni-
eur-wesen, aLehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, bLehrstuhl für Technische Chemie
Homogene Übergangsmetallkatalysatoren ermöglichen hohe Ausbeuten bei milden
Reaktionsbedingungen. Bisher sind die Anwendungen jedoch begrenzt, was unter
anderem auf die Abtrennung und Rückführung der Katalysatoren zurückzuführen ist.
Konventionelle thermische Trennverfahren, wie die Rektifikation, sind auf Grund der
fehlenden thermischen Stabilität der Katalysatoren oft nicht anwendbar. Dennoch ist
insbesondere für teure Übergangsmetalle, wie Rhodium, eine effiziente Katalysator-
rückgewinnung für die Wirtschaftlichkeit zwingend erforderlich.
In vorangegangenen Arbeiten [1,2] konnte am Bsp. der Hydroformylierung gezeigt
werden, dass insbesondere die Kombination aus thermomorphen Lösemittelsyste-
men (TML) und organophiler Nanofiltration (ONF) eine vielversprechende Prozess-
gestaltung erlaubt. Hierbei findet die Reaktion bei hoher Temperatur im homogenen
Bereich des TML statt, während nachgeschaltet eine Phasentrennung in einem bei
niedriger Temperatur betriebenen Dekanter stattfindet. Aus der produktreichen
apolaren Phase wird mittels ONF quergelöster Katalysator zurückgewonnen und die
polare katalysatorreiche Phase wird direkt in den Reaktor zurückgeführt. Bei der nun
betrachteten Hydroaminomethylierung stellt die Bildung des polaren Koppelproduk-
tes Wasser, welches sich in der polaren katalysatorreichen Phase anreichert, eine
zusätzliche Herausforderung dar. Eine Akkumulation des Koppelproduktes kann da-
bei sowohl das Phasenverhalten im Reaktor als auch im Dekanter stören.
Um dieses Problem zu vermeiden, wird in dieser Arbeit ein erweitertes Prozess-
konzept für die Hydroaminomethylierung entwickelt, welches sich grundsätzlich auf
ähnliche Reaktionssysteme erweitern lässt. Hierzu wird eine zusätzliche
Membrantrennung in die Rückführung der katalysatorreichen Phase integriert und
um eine zusätzliche Lösemittelrückgewinnung erweitert. Die Machbarkeit dieses
Konzeptes wird anhand von gezielten Experimenten untersucht und modellbasiert
evaluiert.
[1] Dreimann, J. et al. Chem. Eng. Process, 2016, 99, 124-131. [2] Dreimann, J. et al. Ind. Eng. Chem. Res., 2017, 56, 1354-1359.
48
Development of a material selection box for the production of advanced polymer membranes for water treatment
(MABMEM)
Stefan Panglisch, Arman Kouchaki (Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl für
mechanische Verfahrenstechnik/Wassertechnik); Martin Weber, Oliver Gronwald
(BASF SE, Advanced Materials&Systems, Performance Polymer Blends &
Membranes RAP/ OUB); Peter Berg, Martin Heijnen, Michaela Krug („inge
watertechnologies GmbH); Marcel Koti, Andreas Nahrstedt (IWW Rheinisch-
Westfälisches Institut für Wasserforschung gGmbH); Volker Abetz, Ulrich A. Handge,
Lara Grünig (Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Institut für Polymerforschung);
Mathias Ulbricht, Inga Stratmann (Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl für
Technische Chemie II)
Im Fokus des innerhalb des BMBF Förderprogramms „Werkstoffinnovationen für
Industrie und Gesellschaft – WING“ angesiedelten Forschungsprojektes mit dem
Namen „Material- Auswahlbox zur Herstellung von Hochleistungsmembranen für die
Wasseraufbereitung (MABMEM)“ steht die Entwicklung neuer, leistungsfähiger
Membranen für eine nachhaltige Wasserwirtschaft. MABMEM soll auf Basis neuer
Materialkombinationen die Leistungsfähigkeit von Ultrafiltrations(UF)membranen zur
Wasseraufbereitung entlang der Wertschöpfungskette Material - Membran - Modul -
Anwendung deutlich steigern. Geringere Verschmutzungsneigung, bessere
Rückspülbarkeit, höhere Permeabilität, verbesserte Rückhaltung und erhöhte
Produktausbeute des eingesetzten Rohwassers sollen helfen, Investitions- und
Betriebskosten für entsprechende Wasseraufbereitungsanlagen zu senken.
In dem Vortrag wird beschrieben, wie geeignete Additive zur Verbesserung der
Permeabilität und Rückhaltung sowie zur Reduktion des Foulings von Multibore-
Kapillarmembranen auf Basis von Polyethersulfon (PESU) und Polyphenylensulfon
(PPSU) identifiziert wurden. Dies beinhaltet die Entwicklung neuer Additive, die
Charakterisierung der aus Matrixpolymer und Additiv hergestellten Gießlösung und
der daraus erhaltenen Membranen, die Etablierung von Kenntnissen zur optimalen
Integration der neuen polymeren Additive in Multibore-Kapillarmembranen sowie die
Demonstration der Vorteile der neuen Materialien in einem Feldtest. Hierzu wurden
von den günstigsten Kandidaten Demonstrator-Module hergestellt und an zwei
verschiedenen Standorten und Anwendungen (Aufbereitung von Oberflächenwasser
und Kläranlagenablauf ohne vorherige Flockung) betrieben.
49
Validierung eines angepassten mathematisch-physikalischen Modells zur Simulation der Vakuummembrandestillation mit
keramischen Membranen Kerstin Milew1, Peter Hoffmann1, Roland Haseneder1
1Technische Universität Bergakademie Freiberg, Freiberg/Deutschland
Im Rahmen des vom BMBF finanzierten Forschungsprojektes „KerWas“ sollen
dünnwandige keramische Membranen angepasster Benetzbarkeit und hoher
volumenspezifischer Membranfläche für die Nanofiltration und Membrandestillation
entwickelt und diese zur nachhaltigen Aufbereitung von salzhaltigen Wässern
eingesetzt werden.
Die entwickelten hydrophoben keramischen Membranen sollen in verschiedenen
Maßstabsgrößen zur Membrandestillation hochkonzentrierter Salzlösungen
eingesetzt werden. Die in den durchgeführten Experimenten ermittelten Prozess-
parameter dienen der Auslegung einer Pilot-/Technikumsanlage. Begleitend dazu
soll ein mathematisches Modell abgeleitet werden, welches die Membrandestillation
in den verschiedenen Maßstäben (Labor, Technikum) unter Anwendung
verschiedener Membrantypen (Einkanalrohr, Hohlfaserbündel) beschreibt, um eine
schnelle Optimierung und Simulation der Anlage zu ermöglichen.
Vorgestellt werden Ergebnisse zur Vakuummembrandestillation von salzhaltigen
Lösungen an hydrophoben keramischen Einkanalrohren. Dabei wurden
verschiedene Prozessparameter wie z.B. Porengröße, Triebkraft und
Salzkonzentration variiert.
An den vorgestellten Versuchsergebnissen wird das auf keramische Membranen
angepasste mathematisch-physikalische Modell der Vakuummembrandestillation
validiert. Dieses Modell basiert auf dem Dusty-Gas-Modell und berücksichtigt den
Mehrschichtaufbau keramischer Membranen.
Die Modellrechnungen geben die Ergebnisse sehr gut wieder. Durch den Einsatz der
Vakuummembrandestillation werden die für den Fluss gegenüber
Polymermembranen nachteiligen Eigenschaften keramischer Membranen wie hohe
Wärmeleitfähigkeit und größere Membrandicke deutlich gemindert.
50
Thermodynamische Modellierung und Prozesssimulation der Phosphorrückgewinnung aus Abwasser
Alexander Kellera, Maximilian Kohnsa, Jakob Burgerb, Heidrun Steinmetzc, Hans Hassea
a Lehrstuhl für Thermodynamik (LTD), TU Kaiserslautern
b Professur für Chemische u. Thermische Verfahrenstechnik, TU München c Lehrstuhl für Ressourceneffiziente Abwasserbehandlung, TU Kaiserslautern
Phosphor ist eine für alle Lebewesen essenzielle Ressource. Da die natürlichen
Phosphorvorkommen zur Neige gehen, gewinnt das Recycling von Phosphor rasch an
Bedeutung. Die wichtigste Recycling-Quelle für Phosphor ist Abwasser. In den vergang-
en Jahrzehnten wurden deswegen viele Verfahren zur Phosphorrückgewinnung aus
Abwasser entwickelt. Eines dieser Verfahren ist das „Stuttgarter Verfahren“ zur
Phosphorrückgewinnung aus kommunalen Abwässern. Dabei werden in einem ersten
Schritt die im Klärschlamm kommunaler Kläranlagen vorliegenden geringwertigen
Phosphatsalze durch eine Änderung des pH-Werts in Lösung überführt. Nach einer
Komplexierung störender anderer Ionen gelingt es, nach Zugabe von Magnesium-
hydroxid, Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP) durch Ausfällen zu gewinnen. Das
MAP kann direkt als Dünger eingesetzt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde dieses Verfahren thermodynamisch modelliert. Dabei
müssen unterschiedliche, zum Teil simultan ablaufende Vorgänge in Multikomponenten-
Elektrolytlösungen beschrieben werden. Hierzu wird ein physikalisch-chemisches Modell
entwickelt, mit dem sowohl die Dissoziations- und Säure-Base Gleichgewichte als auch
die physikalischen Nichtidealität der Mischungen konsistent beschrieben werden. Das
Modell ermöglicht es, bei bekannter Zusammensetzung des Klärschlamms die Menge
der benötigten Zusatzstoffe und die Konzentrationsverläufe in den verschiedenen
Prozessstufen vorherzusagen. Die Ergebnisse der Simulationen werden mit experi-
mentellen Daten aus Kläranlagen verglichen. Die Vergleiche zeigen, dass das Modell
trotz stark vereinfachter Annahmen den Prozess bereits annähernd abbildet.
Möglichkeiten der Weiterentwicklung werden diskutiert. Aus den vorliegenden ersten
Ergebnissen können Vorschläge für Verfahrensverbesserungen abgeleitet werden.
51
Kompartiment-Modellierung für Apparate mit komplexen Strömungsregimen am Beispiel einer Flüssig-Flüssig
Extraktionskolonne Benedikt Weber1, Andreas Jupke1
1RWTH Aachen University, AVT.Fluidverfahrenstechnik, Aachen, Deutschland;
Die Interaktion von Fluiddynamik und Stofftransport in Extraktionskolonnen
beeinflusst maßgeblich deren Trennleistung, Belastungsgrad und damit Effizienz. Zur
Berechnung der Interaktion werden oftmals 1D-Populationsbilanzen genutzt, welche
das Strömungsprofil der kontinuierlichen Phase über Anpassungsparameter
berücksichtigen, ohne dieses im Detail zu berechnen. Beispielsweise wird die
erhöhte Verweilzeit der dispersen Phase infolge von Wirbeln in 1D-Modellen über
Verzögerungsfaktoren abgeschätzt. Ein modellbasiertes Apparatedesign ist
allerdings eingeschränkt, da die „Strömungsparameter“ nicht Geometrie-unabhängig
sind. Um eine modellbasierte Apparateentwicklung unter Berücksichtigung von
komplexen Strömungsregimen zu ermöglichen, werden in der Fluidverfahrestechnik
aktuell Kompartiment-Modelle intensiv erforscht. Durch eine Kopplung von CFD mit
Kompartiment-Modellen werden lokale Strömungsregime im Vergleich zu 1D-
Modellen genauer abgebildet als auch weniger Rechenleistung als bei
Populationsbilanz-gekoppelten CFD Simulationen benötigt.
Für die modellbasierte Weiterentwicklung von Flüssig-Flüssig Extraktionskolonnen
haben wir am Beispiel einer Kühni Kolonne ein CFD gestütztes Kompartiment-Modell
entwickelt. Das Kompartiment-Modell berechnet auf Basis eines 3D-Strömungsprofils
der kontinuierlichen Phase Sedimentation, Koaleszenz und Spaltung einer
repräsentativen Anzahl von Tropfen über eine Monte-Carlo Methode. Im Vortrag wird
das Modell vorgestellt und Kolonnensimulationen mit experimentellen Daten
verglichen. Darüber hinaus werden Untersuchungen zur Koaleszenz unterhalb der
Statoren in gerührten Kolonnen vorgestellt. Bestimmte Bereiche in der Kolonne
müssen besonders simuliert werden. So sammeln sich Tropfen unterhalb von
Statoren und können dort koaleszieren. Der Abgleich des Modells mit
Laborexperimenten verdeutlicht, dass die Koaleszenz unterhalb der Statoren
entscheidend ist, um die Tropfengrößenverteilung im Apparat abzubilden.
52
Transferring synergy effects of hybrid membrane processes into technical scale
S. Panglisch*1,2, G. Hoffmann1, M. Koti2, C. Ganassi3, F. Urban4 1University Duisburg-Essen (UDE), Chair of Mechanical Process Engineering/ Water
Technology, Lotharstr. 1, 47057 Duisburg; 2IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für
Wasserforschung gemeinnützige GmbH, Moritzstr. 26, 45476 Mülheim an der Ruhr; 3ewl energie wasser luzern, Industriestrasse 6, 6002 Luzern/ Switzerland; 4H2U
aqua.plan.Ing-GmbH, Pascalstr. 10, 47506 Neukirchen-Vluyn
Being a hybrid process, the authors understand it to mean that such a combination of
different treatment processes can generate additional positive synergy effects that
cannot be realized by simply interconnecting the processes in series. Typical hybrid
interconnections are the use of membrane processes with porous membranes
together with the dosing of powdered activated carbon, coagulant or ozone.
However, transferring this hybrid process from the laboratory scale up to a technical
scale requires deep consideration of important boundary conditions. Huge interest in
optimization of industrial scale membrane filtration still exists despite the very
successful developments during recent decades. This was realized through very
different approaches, such as reducing the membrane surface area needed through
using membranes with higher resistance to fouling, by increasing the elimination of
disruptive water constituents, by improving the separation efficiency of membranes or
by increasing the service life or reducing the energy and chemical requirements. In
addition to membrane material and membrane module optimizations, adapting
membrane processes and, in particular, combining them with other treatment
processes has increasingly become the focus of engineering science for some time
now. The membrane process is no longer a stand-alone process here, but is part of a
processing chain that is defined by the treatment objective. Being a central element,
porous membrane processes can be combined with one or more other processes
such as flocculation, activated carbon filtration or ozonisation. In this way, for
example, colloidal or molecular dissolved natural or anthropogenic organic water
constituents can be eliminated in addition to microorganisms without the need for
simultaneous desalination, which is unavoidable with dense membranes. The
presentation will cover an overview about potential hybrid processes and the
challenges to be faced by upscaling these processes to technical scale.
53
In-situ surface modification of filtration membranes to integrate boron adsorber property
Qirong Ke, Mathias Ulbricht
Lehrstuhl für Technische Chemie II, Universität Duisburg-Essen, 45117 Essen,
Germany
State-of-the-art reverse osmosis membranes for desalination have limited
competence to efficiently remove boron. The boron concentration in seawater is
around 5 mg/L while the limit for irrigation is 0.5 mg/L [1]. One promising approach for
boron removal is to integrate membrane-based separation with selective adsorption
of boron. Therefore, the aim of this project is to modify the pore surface of
commercial polyethersulfone micro- and ultrafiltration membranes with a hydrogel
layer in which contains polyol groups for selective boron binding. The modification
protocol (Fig. 1a) includes two steps: 1) adsorption of a copolymer (PDB; Fig. 1b)
which contains tertiary amine groups as co-initiator for free radical generation [2]; 2)
surface-initiated grafting of a hydrogel layer by using a monomer solution comprising
a polyol monomer (GAEMA; Fig. 1b), a cross-linker monomer and a redox initiator.
The entire modification process is performed with recirculation of the solutions
(Fig. 1c). The influences of flow rate, modification time and composition of the
monomer solution are investigated to find optimal modification parameters leading to
maximum boron binding capacity at minimized loss of permeability. Boron binding is
evaluated by boron adsorption isotherms and kinetics, as well as in break-through
experiments.
Figure 1. Illustration of the modification protocol (a); key chemicals used for modification (b); scheme
of filtration system used for modification (c).
References [1] E. Guler, C. Kaya, N. Kabay, M. Arda, Desalination, 356 (2015) 85-93.
[2] M. Quilitzsch, R. Osmond, M. Krug, M. Heijnen, M. Ulbricht, J. Mem. Sci. 518 (2016) 328-337.
54
Membranen – gut in Form Hannah Roth, Michael Alders, Stephan Emonds, Maik Tepper, Tobias Luelf,
Matthias Wessling, RWTH Aachen;
Die Herstellung von Kompositmembranen erfordert derzeit komplizierte und
zeitaufwendige, mehrschrittige Herstellungsverfahren. Fast alle handelsüblichen
Kompositmembranen sind Flachmembranen. Spiralwickelmodule mit Flach-
membranen werden zwar vollautomatisiert und kostengünstig hergestellt, sind aber
deutlich komplexer aufgebaut als Hohlfasermodule. Darüber hinaus können Hohl-
fasermodule rückgespült werden und besitzen eine höhere Packungsdichte.
Mit dem Reaktivspinnkonzept (Chemistry in a spinneret) können wir Komposithohl-
fasermembranen in einem einstufigen Prozess direkt herstellen (Roth et al. 2018).
Hier überlagert die Reaktion eines Vernetzers und eines Aminreaktanden die kon-
ventionelle Phasenumkehr eines inerten Polymers beim Trockenstrahl-Nassspinnen.
Während das inerte Polymer als poröse Trägerstruktur ausfällt, bildet die Ver-
netzungsreaktion auf der Lumenseite die gewünschte dichte Trennschicht.
In den letzten Jahrzehnten wurden Membranmaterialien übermäßig untersucht und
optimiert. Aufgrund der umgesetzten Verbesserungen verschiebt sich der Widerstand
in vielen Membrananwendungen oft von der Membran selbst zu den angrenzenden
Grenzschichten. Daher wird der Einfluss der Konzentrationspolarisation auf die
Leistung deutlicher.
Luelf et al. (2017) produzierten Hohlfasern mit einer sinusförmigen Geometrie. Der
Einsatz einer selbstgebauten Pulsationsvorrichtung zum Pulsieren des Volumen-
stroms der Lumenflüssigkeit erzeugt die sinusförmige Geometrie des Lumenkanals.
Im Vergleich zu Hohlfasern mit geradem Lumenkanal zeigt die sinusförmige Geo-
metrie einen verbesserten Stoffaustausch von Sauerstoff zur Flüssigphase in einem
Membrankontaktor.
In dieser Arbeit kombinieren wir nun das Reaktivspinnkonzept mit dem Pulsations-
gerät, um direkt Komposithohlfasermembranen mit sinusförmiger Geometrie herzu-
stellen. Bei der Anwendung dieser Membranen in der Drucklufttrocknung zeigt sich
eine deutlich verbesserte Trockenleistung in den Hohlfasern mit sinusförmiger
Geometrie.
Luelf T. et al., J. Membr. Sci. (2017).
Roth H. et al., J. Membr. Sci. (2018).
55
Helix Hohlfasermembranen für erhöhten Massentransport Maik Tepper, Jens Rubner, Tim Pütz, Tobias Luelf, Matthias Wessling, DWI –
Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V., RWTH Aachen University, 52074
Aachen, Deutschland
Membrantechnologien haben sich als nachhaltige Systeme in verschiedenen
industriellen Anwendungen etabliert. In der Lebensmittelindustrie und der
Wasseraufbereitung spielen Membranen eine entscheidende Rolle als ressourcen-
und energieeffiziente Prozesse. Es gibt jedoch einen Nachteil; Leistungsdefizite
durch Grenzschichtbildung, die so genannte Konzentrationspolarisation.
Um diese Limitationen zu überwinden, entwickeln wir neuartige Hohlfasergeometrien
um Sekundärströmungen zu induzieren. Beispiele hierfür sind in unseren früheren
Arbeiten Luelf (2017) und Luelf (2018) gezeigt. Entsprechende Sekundärströmungen
implizieren Mischeffekte um den lokalen Stofftransport von der Membranoberfläche
zurück in die Kernströmung im Faserlumen zu erhöhen.
Inspiriert von Broussous (1998), Çulfaz (2011) und Pentair (2017) ist die Idee eine
mikro-strukturierte Lumenoberfläche mit einer helixförmig verlaufenden Rippe
entlang der Hohlfaser im Nassspinnverfahren zu entwickeln. Wir erwarten, dass beim
Durchströmen die Lumenströmung einen Drall erfährt und gleichzeitig hinter den
Rippen Rückmischwirbel entstehen.
Wir verwenden 3D-Drucktechniken um speziell entwickelte Polymer-Spinndüsen mit
mikro-strukturierten Nadeln herzustellen. Die Nadeln weisen Nuten auf um die
Rippen abzubilden. Weiter wenden wir unser selbst entwickeltes Spinning²-Setup an,
um die mikro-strukturierte Spinndüse beim Hohlfaserspinnen zu drehen. Insgesamt
erhalten wir verdrillte Fasern, die helixförmig verlaufende Rippen aufweisen.
Die Untersuchung konventioneller und neuer Fertigungsparameter wie Spinndüsen-
geometrie und Drehzahl ergeben ein breites Spektrum an Rippengeometrien.
Derzeit führen wir eine Cross-flow-Filtrationsstudie mit kolloidalem Siliziumdioxid
unter Verwendung eines konstanten Permeatflusses durch. Diese Studie wird uns
detaillierte Erkenntnisse über die Auswirkungen der Sekundärströmung auf die
Membranleistung liefern. Wir erwarten, dass die Cross-flow-Geschwindigkeit einen
entscheidenden Einfluss auf den hydrodynamischen Strömungszustand im
Faserlumen hat. Daher werden wir allgemeine Beziehungen zum Stoffaustausch
zwischen der Fasergeometrie und den Filtrations-Betriebsparametern ableiten.
56
Beurteilung der in Hohlfasermembranen auftretenden längenabhängigen Milchprotein-Deckschicht
M.Sc. Roland Schopf, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kulozik
Lehrstuhl für Lebensmittel- und Bio-Prozesstechnik, TU München, Freising
Üblicherweise werden keramische Rohrmembranen aufgrund ihrer hohen Haltbarkeit
und Beständigkeit gegenüber rauen Betriebsbedingungen oder polymere Spiralwi-
ckelmembranen (SWM) aufgrund ihrer hohen Membranfläche pro Modul für die
Milchproteinfraktionierung verwendet. Diese Membranen sind entweder teuer oder
schwer zu reinigen. Eine mögliche Alternative dazu stellen Hohlfasermembra-
nen (HFM) dar, die im Milchsektor bisher kaum eingesetzt werden. Der Vorteil ist,
dass HFM, wie SWM, eine hohe Packungsdichte besitzen, was im Vergleich zu
Rohrmembranen zu einer höheren spezifischen Filterfläche führt. Auch in HFM
kommt es bei der Milchproteinfraktionierung durch die zurückgehaltenen Caseine zur
Deckschichtbildung mit eigenständigem Retentionseffekt, die sich zudem entlang
einer Membran verändert, was zu einer Fluxabnahme sowie zu einer Reduktion der
Trenneffizienz führt. Die offene Frage ist, ob die Variation der lokalen Druck- und
Strömungsbedingungen entlang der Membran einen größeren Einfluss auf die Ver-
änderung der Deckschichtstruktur im Vergleich zu SWM und keramischen Membra-
nen hat. Diese Studie wurde initiiert, um die längenabhängige Deckschichtbildung
besser zu verstehen und somit die Fraktionierungseffizienz zu optimieren.
Wir sind in der Lage, die Längenabhängigkeit von Flux und Transmission zu quantifi-
zieren. Durch die Bestimmung des Deckschichtwiderstandes konnten wir zeigen,
dass es eine inhomogene Verteilung der Deckschicht bzw. deren Transmissionswi-
derstand gibt, welcher vom Membraneinlass zum Auslass abnimmt. Dies führt zu
einer Reduktion der Molkenproteintransmission und folglich zu einer Trenneffizienz-
abnahme. Die Deckschicht kann aufgrund des höheren Transmembrandrucks am
Membraneingang als dicker oder kompakter angenommen werden. Dies führt zu ei-
nem höheren Retentionseffekt für die Molkenproteintransmission. Darüber hinaus
können wir durch Berechnung des Molkenprotein-Massenstroms zeigen, dass es ein
Effizienzoptimum für die Milchproteinfraktionierung bei niedrigeren
Transmembrandrücken gibt. Die Schlussfolgerung ist, dass HFM eine geeignete
Al-ternative zu röhrenförmigen keramischen Membranen und SWM darstellen, wenn
sie bei geeigneten Transmembrandrücken und Überströmgeschwindigkeiten
betrieben werden.
57
Niederfrequente Pulsation in der Crossflow-Mikrofiltration – innovative Ansätze zur Erhöhung der Proteintransmission in der
Milchproteinfraktionierung Maria Weinberger, Ulrich Kulozik, Lehrstuhl für Lebensmittel- und Bioprozesstechnik,
Technische Universität München, Freising
Die Mikrofiltration wird in der milchverarbeitenden Industrie zur schonenden
Fraktionierung von Caseinen, Molkenproteinen und Immunglobulinen eingesetzt. Die
als Mizellen vorliegenden Caseine werden zurückgehalten, während die
Molkenproteine aufgrund ihrer geringen Größe ohne Retention konvektiv den Weg in
das Permeat nehmen sollten. Die zurückgehaltenen Caseine bilden dabei jedoch
eine dichte Deckschicht, die zusätzlich eine hohe Neigung zur Gelbildung hat.
Dadurch sinkt nicht nur der Flux sondern auch die Molkenproteintransmission
maßgeblich, sodass regelmäßige Reinigungszyklen unerlässlich sind. Trotz der
enormen Bedeutung der Crossflow-Mikrofiltration und anderer Membranverfahren
wird diese Foulingproblematik bisher nicht zufriedenstellend beherrscht.
Die hochfrequente Pulsation der tangentialen Überströmung und ihr positiver Einfluss
auf den langfristigen Flux ist bereits in der Literatur beschrieben [1-3]. Dabei ist
bisher jedoch unklar, wie sich die Pulsation auf die Wirkung der Deckschicht als
Sekundärmembran und daher auf die Transmission von kleineren Molekülen
auswirkt. Wir zeigen in unserer Arbeit wie niederfrequente Pulse, erzeugt durch eine
schnell steuerbare, magnetische Kreiselpumpe mit steilen An- und Abfahrrampen,
zur Lockerung der Deckschicht und damit zu einer langfristigen Erhöhung der
Proteintransmission eingesetzt werden können. Diesen Effekt zeigen wir anhand der
hygienisch günstigen „kalten“ Milchproteinfraktionierung bei 15°C.
[1] D. E. Hadzismajlovic and C. D. Bertram, "Flux enhancement in turbulent crossflow microfiltration of yeast using a collapsible-tube pulsation generator," Journal of Membrane Science, vol. 163, pp. 123-134, 10/1/ 1999.
[2] W. Blel, C. Le Gentil-Lelièvre, T. Bénézech, J. Legrand, and P. Legentilhomme, "Application of turbulent pulsating flows to the bacterial removal during a cleaning in place procedure. Part 1: Experimental analysis of wall shear stress in a cylindrical pipe," Journal of Food Engineering, vol. 90, pp. 422-432, 2// 2009.
[3] S. Curcio, V. Calabrò, and G. Iorio, "Monitoring and control of TMP and feed flow rate pulsatile operations during ultrafiltration in a membrane module," Desalination, vol. 145, pp. 217-222, 2002/09/10 2002.
58
Einfluss unterschiedlicher Diafiltrationsmedien auf die Milchprote-infraktionierung und Funktionalität von mizellarem Casein
Dipl.-Ing. (FH) Michael Reitmaier, Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Heidebrecht
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kulozik, Chair for Food and Bioprocess Engineering, Technical
University Munich, Weihenstephaner Berg 1, Freising, Germany
Die Fraktionierung der Milchproteine in mizellares Casein und native Serumproteine
erfolgt im industriellen Maßstab mittels Größenausschluss unter Einsatz von
Membrantrenntechnik. Während der Anwendung einer Mikrofiltration wird die
Caseinfraktion im Retentat angereichert, die sukzessive Transmission der Molken-
proteine erfolgt konvektiv im Permeatstrom. Nach einer Vorkonzentrierung des Aus-
gangssubstrates Magermilch wird zur möglichst weitgehenden Auftrennung ein häu-
fig mehrstufiger Auswaschprozess (Diafiltration, DF) ausgeführt. Die Bandbreite der
potentiell zur Verfügung stehenden DF-Medien reicht von unterschiedlich aufbereite-
tem Frischwasser oder Brüdenkondensaten bis hin zu Permeaten aus verschiedenen
Molke- oder Milchderivaten. Diese Medien unterscheiden sich in ihrer Zusammenset-
zung bzgl. Gehalten einzelner Ionenarten, Lactose und pH-Wert. Inwiefern alternati-
ve DF-Medien Einfluss auf den Fraktionierungsprozess und auf die Produktfunktiona-
lität ausüben, ist dabei bisher weitgehend unbekannt. Zur Aufklärung wurden sowohl
im Labor- als auch im Pilotmaßstab Untersuchungen der Eigenschaften der
Caseinmizelle als auch der Deckschichtausbildung unter verschiedenen Milieubedin-
gungen im relevanten Bereich durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit ver-
schiedenen DF-Medien deutliche Unterschiede in den Eigenschaften der
Caseinfraktion und dadurch bedingte Veränderungen in der Filtrationsleistung und
der Funktionalität erzielt werden. In Summe ist durch die Wahl des DF-Mediums eine
Steigerung der Prozesseffizienz mit Vorteilen bzgl. Nachhaltigkeit und Kosten oder
eine gezielte Produktbeeinflussung ableitbar.
59
Anforderungen an Spiralwickelelemente zur effizienten Aufkonzentrierung hochosmotischer Lösungen
Ch. Kleffner, G. Braun, Technische Hochschule Köln, Köln/Deutschland
Die Entwicklung von Verfahren und Prozesskonzepten zur energieeffizienten
Aufkonzentrierung industrieller Prozessabwässer im Bereich hoher Salzkon-
zentrationen stellt auf Basis einer nachhaltigen Wasserwirtschaft weiterhin
eine technische Herausforderung dar. Werden osmotische Drücke im Bereich
von Umkehrosmosekonzentraten erreicht, sind für weitere
Aufkonzentrierungsschritte hauptsächlich thermische Verfahren verfügbar.
Eine Umsetzung solch energieintensiver Methoden ist oftmals jedoch auf-
grund ökologischer Aspekte und damit verbundener behördlicher Auflagen
erforderlich, auch wenn der ökonomische Nutzen sie nicht unbedingt rechtfer-
tigt.
Vor diesem Hintergrund stellt die Erweiterung druckgetriebener
Membranverfahren in Richtung höherer Konzentrationen eine wichtige Option
mit großem Potential zur Kosten- und Energieeinsparung dar. Der effiziente
Einsatz von Spiralwickelelementen bei der Aufkonzentrierung hochosmoti-
scher Lösungen geht jedoch mit spezifischen Anforderungen einher, die sich
aus den besonderen Betriebsbedingungen ergeben.
Hohe osmotische Drücke der zu behandelnden Lösungen sind hierbei stets
mit hohen Betriebsdrücken verbunden, die die mechanische Belastung auf die
Membranelemente maßgeblich erhöhen und ihre Leistung herabsetzten.
Durch eine gezielte Auswahl geeigneter Membraneigenschaften kann der
notwendige Feeddruck gesenkt bzw. die maximal erzielbare Konzentration
erhöht werden, sofern die entsprechenden Elemente sich durch eine stabile
Leistung als geeignet erweisen.
Die anwendungsspezifischen Anforderungen, bezogen auf das Design der
Spiralwickelelemente sowie die Eigenschaften und Auswahl der Membran
selbst, werden in dieser Studie erarbeitet. Dazu wurden verschiedene Aspek-
te experimentell betrachtet.
60
Zum einen wurden unterschiedliche Membranmateriealien auf ihr Verhalten
im Bereich besonders hoher Salzkonzentrationen in Hinblick auf Salzrückhalt
sowie Permeabilität untersucht und evaluiert. Zum anderen wurde die Perfor-
mance verfügbarer Spiralwickelelemente im erforderlichen Einsatzbereich
getestet und anwendungsbezogene leistungslimitierende Faktoren eruiert.
Die beschriebenen Untersuchungen werden durch bildgebende Verfahren zur
postexperimentellen Analyse der verwendeten Materialien sowie durch semi-
empirische Modellierungen unterstützt und validiert.
Die Ergebnisse der Studie weisen auf stofftransportbezogene Faktoren hin,
die im intendierten Anwendungsbereich besondere Relevanz erhalten und
den Einsatz der Membranelemente limitieren. Es kann gezeigt werden, dass
geeignete Optimierungsansätze unter Einsatz verfügbarer Komponenten
möglich sind, sodass Spiralwickelelemente effizient zur Aufkonzentrierung
hochosmotischer Lösungen eingesetzt werden können. Hierbei kann gezeigt
werden, dass anwendungsspezifisch optimierte Elemente, die Langzeitstabili-
tät bei hohen Betriebsdrücken und Konzentrationen aufweisen, das Potential
zeigen, wesentlich zu einer Energie- bzw. Kosteneinsparung beizutragen, da
konventionelle thermische Aufkonzentrierungsverfahren zu erheblichen Teilen
ersetzt werden können.
61
Fluidverfahrenstechnik Poster
62
Gleichgewicht oder Stofftransport? – Modelldiskriminierung zur Auslegung von Packungskolonnen bei der Rektifikation
Thomas Waltermann1, Regina Benfer2, Carsten Knösche2, Mirko Skiborowski1,
Andrzej Górak1; 1TU Dortmund, Fakultät für Bio- und Chemieingenieurwesen,
Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Dortmund; 2BASF SE, Ludwigshafen;
Die Auslegung von Packungskolonnen bei der Rektifikation erfolgt meist auf Basis
des Gleichgewichtsstufenmodells in Kombination mit spezifischen HETP-Werten.
Während dieser Ansatz für die meisten Trennprobleme eine ausreichende
Genauigkeit bietet, kann er in speziellen Fällen zu einem unzureichenden
Kolonnendesign führen. Für diese Trennprobleme kann die Verwendung des
Stofftransportmodells die Entwurfsgenauigkeit erhöhen, da dieses Modell den
Rektifikationsprozess physikalisch fundierter abbildet. Das Stofftransportmodell ist
jedoch numerisch komplexer und benötigt zusätzliche, spezifische Parameter. Daher
wären Methoden zur Auswahl des geeigneten Modells für ein spezifisches
Trennproblem eine sinnvolle Ergänzung, um Aufwand und Genauigkeit abzuwägen.
Zur Ableitung solcher Entscheidungshilfen erfolgte in vorherigen Arbeiten zunächst
eine theoretische Modelldiskriminierung beider Modelle bei totalem Rückfluss[1].
Hierdurch konnten Kriterien identifiziert werden, unter denen sich die Ergebnisse der
Modelle besonders stark voneinander unterscheiden. Experimentelle
Untersuchungen realer Gemische konnten die theoretischen Ergebnisse validieren[2].
Im Hinblick auf die Auslegung der Packungskolonne erfolgt in der aktuellen Arbeit
nun eine Erweiterung der Modelldiskriminierung auf finiten Rückfluss, zu dessen
Zweck für das Stofftransportmodell ein modifizierter HTU-NTU Ansatz für
Mehrkomponentengemische verwendet wird. Dieser Ansatz erlaubt die
Berücksichtigung komponentenspezifischen Stofftransports auf Basis der Maxwell-
Stefan Diffusion. Um zu demonstrieren, dass die entwickelte Methodik eine schnelle
Evaluierung des geeigneten Modellierungsansatzes ermöglicht, werden die
berechneten Kolonnendesigns von Gleichgewichtsstufen- und Stofftransportmodell
für verschiedene Trennprobleme systematisch miteinander verglichen. Der Vergleich
zeigt deutliche Unterschiede in den Modellergebnissen je nach Auslegungspunkt auf. Referenzen [1] T. Waltermann et al., 2017. "Notwendige Modellierungstiefe von Rektifikationsprozessen in Packungskolonnen". Präsentation beim Jahrestreffen FVT und Membrantechnik, Köln [2] R. Benfer et al., 2018. „Konzentrationsprofile in Packungskolonnen: Experiment und Modell“, Präsentation beim Jahrestreffen FVT und Membrantechnik, München
63
Numerische Simulation der Zweiphasenströmung und des Stofftransports in strukturierten Packungen
S. Hill, S. Rehfeldt, H. Klein, Technische Universität München, Germany;
T. Acher, R. Hoffmann, J. Ferstl, Linde AG Engineering Division, Pullach, Germany;
D. Deising, H. Marschall, Technische Universität Darmstadt, Germany
Für die Optimierung des rektifikativen Trennprozesses mit Hilfe strukturierter
Packungen ist ein tiefes Verständnis sowohl der Fluiddynamik als auch der
Transportprozesse innerhalb solcher Kolonneneinbauten notwendig. Im Zuge dieser
Arbeit werden beide Bereiche simulativ abgebildet, was eine gesamtheitliche
Untersuchung des Prozesses ermöglicht. Zur Simulation der Fluiddynamik wird
hierbei die Volume-of-Fluid (VoF) Methode verwendet, zur Abbildung der Physik des
Stofftransports wurde ein neues Modell entwickelt.
Im ersten Teil der Arbeit werden kurz die Ergebnisse wiederholt, welche bei der
isolierten Betrachtung der Fluiddynamik gewonnen wurden (Hill et. al. [1]).
Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Vorstellung des neuen
Stoffübergangsmodells. Das Modell basiert auf der Continuous Species Transfer
(CST) Methode (Marschall et al. [2]), die dahingehend generalisiert wurde, dass
neben absorptiven auch rektifikative Prozesse simuliert werden können. Eine
detaillierte Herleitung und Validierung des neuen Modells, genannt Generalised
Continuous Species Transfer (GCST) Modell, findet sich in Hill et al. [3].
Der Hauptteil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Kombination beider Teilbereiche
und damit auf die gleichzeitige Simulation der Zweiphasenströmung und des
Stoffübergangs in strukturierten Packungen. Die durchgeführten Simulationen
decken verschiedene Flüssigkeits- und Gasbelastungen bei vollständigem Rücklauf
ab. Zur Auswertung der Ergebnisse wird der HETP-Wert berechnet.
Alle Erweiterungen des Programmcodes sind im CFD Software Paket OpenFOAM®
implementiert. [1] S. Hill, T. Acher, R. Hoffmann, J. Ferstl, A. Rarrek, H. Klein, 2016. „CFD Simulation of the
Hydrodynamics in Structured Packings.“ Conference Paper, 9th International Conference on Multiphase Flow, Florenz
[2] H. Marschall, K. Hinterberger, C. Schüler, F. Habla, O. Hinrichsen, 2012. „Numerical simulation of species transfer across fluid interfaces in free-surface flows using OpenFOAM.“ Chemical Engineering Science 78, pp. 111-127
[3] S. Hill, T. Acher, R. Hoffmann, J. Ferstl, D. Deising, H. Marschall, S. Rehfeldt, H. Klein, Numerical Simulation of Two-Phase Flow and Interfacial Species Transfer in Structured Packings, Chemical Engineering Transactions, Vol. 69 (2018)
64
Tomographische Untersuchungen der Fluiddynamik viskoser Systeme in Packungskolonnen
L. Bolenz1, D. Toye2, E. Y. Kenig1
1Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn/Deutschland 2Université de Liège, Department of Chemical Engineering, Lüttich/Belgien
Bei vielen Trennaufgaben, wie z. B. der Entmonomerisierung in der
Herstellung von Polymeren, findet eine Rektifikation mit einer hochviskosen flüssigen
Phase statt. Dabei hat die Viskosität einen signifikanten Einfluss auf die
Fluiddynamik sowie den Stofftransport und damit auf die gesamte Trennleistung.
Trotzdem basiert die überwiegende Anzahl von Untersuchungen dieser Phänomene
auf standardisierten Testsystemen mit einer Viskosität unter 1 mPa s. Es ist nicht
davon auszugehen, dass sich diese Ergebnisse auf Systeme mit deutlich höherer
Viskosität übertragen lassen.
Der Ansatz der Hydrodynamischen Analogien (HA) bietet einen Weg zur
Bestimmung von Trennleistungen, der bereits erfolgreich bei der Rektifikation und
Absorption in Packungskolonnen angewendet wurde. Dabei wird das reale
Strömungsverhalten durch eine Kombination einfacher Strömungsformen dargestellt
und somit die rigorose Modellierung des Stoff- und Wärmetransports ermöglicht.
Tomographische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Viskosität in der
HA-Modellierung berücksichtigt werden muss, da sie einen großen Einfluss auf die
Strömungsmuster in den strukturierten Packungen hat.
Im Rahmen eines DFG-Projektes soll der HA-Ansatz erweitert werden, um die
Rektifikation in Packungskolonnen bei Viskositäten von bis zu 50 mPa s beschreiben
zu können. Dazu wird zunächst der Einfluss der Viskosität auf die Strömungsformen
innerhalb der Strukturpackung mit Hilfe von Röntgentomographie untersucht. Darauf
aufbauend wird das HA-Modell angepasst und anschließend experimentell validiert.
In diesem Beitrag werden die Ergebnisse der tomographischen
Untersuchungen mit Fokus auf die Strömungsformen in der Packung vorgestellt. Es
wird eine empirische Korrelation zur Beschreibung des relativen Anteils der
einzelnen Strömungsmuster am gesamten Hold-up sowie ein Ansatz zur
Implementierung des Einflusses der Strömungsmuster auf den Stofftransport im HA-
Modell präsentiert.
Danksagung
Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die
finanzielle Unterstützung.65
Entwicklung und Charakterisierung additiv gefertigter Packungsstrukturen für die thermische Trenntechnik J. Neukäufer1, F. Hanusch², S. Rehfeldt2, H. Klein2, T. Grützner1
1 Universität Ulm, Institut für Chemieingenieurwesen, Labor für Thermische Prozess-
technik, 89081 Ulm, Deutschland 2 Technische Universität München, Fakultät für Maschinenwesen, Lehrstuhl für Anla-
gen- und Prozesstechnik, 85748 Garching, Deutschland
Rektifikation und Absorption stellen zwei der bedeutendsten Trennverfahren der
thermischen Verfahrenstechnik dar. Beide Verfahren werden üblicherweise in Boden-
oder Packungskolonnen durchgeführt. Kolonnen mit strukturierter Packung zeichnen
sich dabei durch eine hohe Trenneffizienz und einen besonders geringen Druckver-
lust und somit niedrige Betriebskosten aus.
Die Fertigungsprozesse sind dabei so gestaltet, dass strukturierte Packungen für Ko-
lonnen mit mehreren Metern Durchmesser hergestellt werden können. Für kleinere
Packungsdurchmesser (< 200 mm), z.B. Labor- und Pilotanlagen, hat die Fertigung
meist einen sehr hohen manuellen Anteil. Der dadurch entstehende Aufwand steht
somit in keinem sinnvollen Verhältnis zu den Materialkosten. Darüber hinaus ist der
Randbereich und somit die Mantelfläche bei kleinen Kolonnendurchmessern anteilig
höher als bei größeren Durchmessern. Durch das überproportional starke Auftreten
von unerwünschten Effekten wie Randgängigkeit ergeben sich Einschränkungen im
Hinblick auf die Skalierbarkeit hin zu größeren Durchmessern. Auch der Einsatz von
Laborfüllkörpern mit geringen Nenngrößen schafft hier keine zufriedenstellende Ab-
hilfe. In den letzten Jahren hat sich die additive Fertigung als alternatives Produkti-
onskonzept in vielen Bereichen etabliert. Die verschiedenen additiven Fertigungsver-
fahren zeichnen sich dabei gegenüber den konventionellen besonders durch gerin-
gere konstruktive Limitierungen aus. Daher gehend werden neuartige strukturierte
Packungen, ausgehend von Kristallgittern, konstruiert und additiv gefertigt.
Im vorliegenden Beitrag wird das methodische Vorgehen bei der Entwicklung dieser
Strukturen für den Labor- und Technikumsmaßstab vorgestellt. Neben der Charakte-
risierung, unter anderem mittels CFD-Simulationen zur Bestimmung des trockenen
Druckverlusts und der Flüssigkeitsverteilung, werden erste Ergebnisse der Stoff-
übergangsmessungen zur Ermittlung der Trenneffizienz vorgestellt und mit einer
konventionellen Füllkörperpackung verglichen.
66
Recovery of Natural Aromas Using Rotating Packed Bed Ilya Lukin, Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schembecker,
Laboratory of Plant and Process Design TU Dortmund University, Dortmund/Germany
An increasing demand for natural aromas enhances the role of a biochemical
production as an alternative to the natural feedstock extraction. The fermentation of
aromas, however, faces serious downstream challenges. A novel approach to
overcome heterogeneous product partitioning and severe losses of volatile aromas
through the reactor’s off-gas is the use of a Rotating Packed Bed (RPB) technology
for an integrated stripping and absorption recovery process.
Inside a rotating circular packing of an RPB, the applied centrifugal force leads to an
intensified gas-liquid mixing. Smaller droplets and thinner films are formed increasing
the mass transfer of a target compound. So far, the majority of RPB’s industrial
applications reported dealt with the removal of volatile organic compounds (VOC)
from the flue gas of chemical plants. In order to transfer the knowledge to the
recovery of biochemically produced aromas, a newly designed small-scale RPB was
integrated into a laboratory scale stripping and absorption plant.
The influence of several process and design parameters on the absorption efficiency
of different aromas was investigated. The results show that the rotation has a positive
effect on the mass transfer. At increased rotation speed larger gas throughputs and
reduces liquid consumption could be reached at equal absorption efficiencies
compared to the performance at 0 rpm. Customized 3-D printed packings enabled
the identification of the major mass transfer limitations. Further, the absorption of
aromas in high viscos liquids like soy oil and glycerin was explored. Altogether, the
results of the absorption optimization and the potential of the RPB technology for the
recovery of natural aromas will be presented.
67
Trennung binärer Gemische bei Gravidestillation mittels kanalförmiger Kapillarstrukturen
Niklas Preußer, Peter Stephan, Tatiana Gambaryan-Roisman
Institut für Technische Thermodynamik, Technische Universität Darmstadt
Mit dem Begriff „Gravidestillation“ wird ein Mikrodestillationsprozess bezeichnet, bei
dem die Flüssigkeitsströmung durch Kapillarkräfte getrieben ist. Dieser Prozess
funktioniert unabhängig von der Gravitationskraft und wird daher im englischen
passender „zero-gravity distillation“ genannt. Ein wichtiges Element dieses Systems
ist die Kapillarstruktur, von deren Design die Trennung des Gemisches stark
abhängt.
Die Hydrodynamik und die Wärme- und Stofftransportvorgänge in
Gravidestillationsapparaten sind bisher nicht hinreichend verstanden. Dies ist jedoch
notwendig, um Auslegungsgrundlagen für die Gravidestillation zu erarbeiten. Im
Rahmen der im Beitrag vorgestellten Arbeit wurde ein Versuchsstand aufgebaut, in
dem eine Gravidestillationsapparatur im unendlichen Rücklauf mit verschiedenen
Kapillarstrukturen untersucht werden kann. Im Versuchsaufbau können sowohl
Temperaturprofile als auch Krümmungsverlaufe der Phasengrenzfläche optisch
mittels chromatisch-konfokaler Abstandsmessungen vermessen werden. Diese
Messungen geben Aufschluss über die lokale Gemischzusammensetzung im
System. Die Zusammensetzung des am Kondensator abgeführten Gemisches wird
mittels NMR-Spektroskopie analysiert. Durch Neigung des Apparats gegenüber der
Horizontalen kann der Gravitationseinfluss auf den Prozess variiert werden.
Für zwei verschiedene kanalförmige Kapillarstrukturen wurden Versuche mit
unterschiedlichen Ethanol-Wasser-Gemischen bei unendlichem Rücklauf
durchgeführt. Die Temperaturprofile, die Krümmungsverläufe der Phasengrenzfläche
sowie die Zusammensetzung des abgeführten Gemisches wurden für
unterschiedliche Wärmestromdichten, Neigungen und Gemischzusammensetzungen
gemessen. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit der
Trennungsleistung sowie des Temperaturverlaufs und des Krümmungsverlaufs von
der eingesetzten Kapillarstruktur und den variierten Betriebsparametern.
68
Entwurf eines Versuchsaufbaus zur hydrodynamischen Untersuchung einer flexibel betreibbaren Trennkolonne
H. Fasel, J. Riese, M. Grünewald, Ruhr-Universität Bochum, Bochum
Bei Herstellungsprozessen organischer und anorganischer Grundchemikalien für die
chemische Industrie weist das Downstream-Processing, gerade die Trennung und
Aufreinigung von Stoffgemischen mittels Destillationsverfahren, ausgeführt in
entsprechenden Trennkolonnen, den größten thermischen Energiebedarf auf.
Angesichts der bisherigen Produktion der Grundchemikalien aus fossilen Rohstoffen
und der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen, welche jederzeit stetig
verfügbar sind, erfolgt der Betrieb dieser Apparate zeitlich und quantitativ konstant.
Dementsprechend steht durch die Umstellungen der Energieversorgung in
Deutschland auf regenerative, volatile Energieträger und dadurch einhergehende
schwankende Kapazitäten, der sachgemäße Betrieb der Prozesse und damit auch
der konventioneller Trennkolonnen vor neuen Herausforderungen.
Um diesen Herausforderungen begegnen zu können, sind geeignete Apparate
notwendig. Dies gilt insbesondere für vielfach angewendete Trennkolonnen. Mithilfe
dieser flexiblen Apparate wird neben einem gesicherten Betrieb bei schwankender
Energieversorgung, auch eine höhere Wandlungsfähigkeit für den Betrieb bei
volatilen Rohstoffmärkten und schwankender Rohstoffversorgung sichergestellt.
Im Rahmen dieses Beitrags wird ein Überblick über die Bauweise einer flexibel
betreibbaren Trennkolonne vorgestellt. Dabei soll der generelle Fokus auf der
Untersuchung der Fluiddynamik neuartiger, spezieller Einbauten dieses Apparats
liegen und daraus ableitend mögliche Arbeitsbereiche und Lastgrenzen untersucht
werden.
Basierend auf diesen Untersuchungen wird ein Entwurf für eine flexibel betreibbare
Trennkolonne im Pilotmaßstab vorgestellt, mithilfe derer Betriebsbereiche und
Lastgrenzen des flexiblen Konzepts experimentell überprüft werden. Dafür werden im
Rahmen dieses Beitrags zusätzlich messtechnische Konzepte zur Untersuchung der
Fluiddynamik vorgestellt und bewertet.
69
Untersuchungen zur Fluiddynamik eines neigbaren Fallfilmkanals für flexible Destillationsanwendungen
Arnulf Reitze, Julia Riese, Marcus Grünewald, Ruhr-Universität Bochum,
Bochum/Deutschland
Modulare Produktionsanlagen gelten als vielversprechender Ansatz, um die
Produktionsprozesse auf den zunehmend dynamischen Markt im Bereich der
Spezial- und Feinchemie anzupassen. Das Potential modularer
Produktionsumgebungen konnte in vorangegangenen Forschungsarbeiten bereits
dokumentiert werden, allerdings fehlt vor allem im Bereich der Trennverfahren
adäquates Equipment in Form von modularisierten und standardisierten
Prozessapparaten für deren Umsetzung.
Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wird ein flexibler Destillationsapparat mit
modularem Aufbau für die Auftrennung von Spezialchemikalien entwickelt. Der
Apparat wird als Fallfilmkanal mit einer rechteckigen Querschnittsfläche umgesetzt.
Zum einen können über diesen Aufbau sehr geringe Druckverluste erzielt werden,
die bei der Auftrennung von temperaturempfindlichen Spezialchemikalien vorteilhaft
sind. Darüber hinaus lassen sich einzelne Kanäle, ähnlich wie bei konventionellen
Plattenwärmeübertragern, parallel verschalten, um über ein numbering-up den
Durchsatz zu variieren. Durch eine Reihenschaltung kann die Anzahl der
Trennstufen und damit die Trennleistung auf die entsprechende Trennaufgabe
angepasst werden. Um die Flexibilität des Apparates über den modularen Aufbau
hinaus zu erweitern, wird der Apparat als neigbares System konstruiert. Durch den
Neigungswinkel des Kanals wird ein weiterer Freiheitsgrad für die Beeinflussung der
Fluiddynamik, unabhängig vom Durchsatz der Gas- und Flüssigphase, gewonnen.
Zur Verbesserung von Benetzung und Stofftransport ist ein Austausch der
überströmten Platte durch mikro- und makrostrukturierte Oberflächen vorgesehen.
Zur Ermittlung der Betriebsgrenzen des Apparates werden zunächst fluiddynamische
Untersuchungen vorgenommen. Für eine größtmögliche Phasengrenzfläche ist eine
vollständige Benetzung des Kanals zu gewährleisten. Hierfür wird die kritische
Flüssigkeitsbelastung experimentell für verschiedene Neigungswinkel des Kanals
und Kontaktwinkel der flüssigen Phase ermittelt. Die Ergebnisse werden mit
Korrelationen aus der Literatur verglichen und im Rahmen dieses Beitrags
präsentiert.
70
Experimentelle Untersuchungen zur Desublimation als ein alternatives Trennverfahren zur Absorption
H. Alemyar, M. Grünewald, Ruhr Universität Bochum, Bochum/ Deutschland
W. Friedl, F. Schmitter, F. Mohasseb, Kelvion GmbH, Bochum/ Deutschland
In der chemischen Industrie spielt bei der Auswahl eines geeigneten
Trennverfahrens die Desublimation im Vergleich zur Destillation und Absorption eine
untergeordnete Rolle, wenngleich bei der Desublimation ähnlich wie bei der
einfachen Destillation kein Hilfsmittel für die Abtrennung einer Komponente aus
einem Gasgemisch benötigt wird. Im Vergleich zur Absorption entfällt der
energieaufwändige Reinigungsschritt für die Waschmittelaufarbeitung und im
Vergleich zur Destillation kann in Hinblick auf temperatursensitive Produkte auf
einem wesentlich geringeren
Temperaturniveau abgetrennt
werden. Umso bemerkenswerter ist
es, dass die Desublimation als
Trennverfahren kaum Anwendung
findet. Die Autoren werten dies als
Indiz dafür, dass für das
Trennverfahren unzureichende
Informationen zur Verfügung stehen. Angefangen bei den oftmals nicht vorhandenen
Stoffdaten, bis hin zum phänomenologischen Verständnis für eine belastbare
Apparatedimensionierung finden sich in der Literatur nur wenige Hinweise. Die oben
angesprochenen Vorteile der Desublimation als alternatives Trennverfahren können
somit nicht gehoben werden.
Das Ziel der Forschungsarbeiten in den letzten Jahren konzentrierte sich auf die
experimentelle und modellgestützte Aufklärung der komplexen Stoff- und
Wärmetransportvorgänge bei der Desublimation. Im Fokus der Untersuchungen
stand dabei die genaue Beschreibung der anwachsenden Feststoffschicht. Sie
beeinflusst die Trennleistung, indem sie einerseits durch den zusätzlichen
thermischen Widerstand zur Verringerung des Wärmedurchgangskoeffizienten und
anderseits durch den verringerten Strömungsquerschnitt zur Vergrößerung des
Druckverlusts führt. Für das Anwendungsbeispiel der Desublimation von
Abbildung 1: Foto des Versuchsstands & Beschriftung der Hauptanlagenteile
71
Wasserdampf aus feuchter Luft liegen in der Literatur experimentelle Daten vor,
jedoch betrachten die besagten Forschungsarbeiten die Feststoffbildung mit
vorgeschalter Kondensation. Folglich überlagern sich zwei Bildungsprozesse
(Kondensation & Desublimation) und verhindern dadurch eine differenzierte
Betrachtungsweise der Phänomene während der Desublimation. Aus diesem Grund
wurde ein Versuchsstand zur Desublimation konzeptioniert und aufgebaut, siehe
Abbildung 1. Im Versuchsstand wird das Gasgemisch konditioniert und das
Feststoffwachstum messtechnisch erfasst (u. a. Dicke, Oberflächentemperatur,
Dichte).
Im Rahmen des Beitrags wird anhand der an der Versuchsanlage erzielten
Ergebnisse der Einfluss der Prozessparameter: Strömungsgeschwindigkeit,
Eintrittsbeladung und Kühlplattentemperatur auf die charakteristischen Eigenschaften
der Feststoffschicht diskutiert und bewertet. Abschließend erfolgt ein energetischer
Vergleich mit der Absorption anhand eines zweiten Anwendungsbeispiels, nämlich
der CO2-Abscheidung aus einem erdgasähnlichen Gasgemisch.
72
Dynamische Simulation reaktiver Absorptionsprozesse für die Entwicklung modellbasierter Werkzeuge zur Vermeidung von Vor-
und Notfallsituationen in der Industrie M. Bothe1, A. Fedorov2, H. Frei2, N. Lutters1, E. Y. Kenig1
1Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn/Deutschland 2Sokratel Kommunikations- und Datensysteme GmbH, Augsburg/Deutschland
In modernen Chemiebetrieben kommt es oft zu Vor- und Notfällen, die mit hohen
Verlusten verbunden sind. Dazu gehören neben den materiellen auch erhebliche
nicht-monetäre Verluste wie Gesundheit, menschliches Leben oder der
Imageschaden. Solche Vor- und Notfälle treten durch unvorhergesehene
Änderungen im Prozessablauf (z.B. plötzliche Laständerungen), die
Verschlechterung des Zustands der Anlage und der Systeme zur Steuerung und
Regelung oder die Kombination solcher Ursachen auf.
Im Rahmen einer Kooperation zwischen der Universität Paderborn und der Firma
Sokratel soll ein interaktives modellbasiertes Expertensystem zur automatisierten
Vermeidung und Beseitigung von Vor- und Notfallsituationen entwickelt werden.
Dabei beschäftigt sich die Universität Paderborn mit der Entwicklung rigoroser,
dynamischer Modelle sowie der zielgerichteten Simulation typischer Prozesse
chemischer Absorption. Diese Simulationen in Form von Ursache-Wirkungs-
Analysen dienen der Erstellung problemorientierter Modelle oder mathematischer
Zusammenhänge, welche in Echtzeit Daten zum Prozess liefern können. Diese
Modelle werden anschließend von der Firma Sokratel in die neu zu entwickelnde
Software integriert. Als Beispielprozess für die Simulation dient zunächst die
chemische Absorption von Kohlenstoffdioxid mit wässriger Monoethanolaminlösung.
Das ist ein experimentell und numerisch ausgiebig untersuchtes Trennverfahren,
welches aufgrund des Klimawandels von hoher Aktualität ist. Als nächsten Schritt
sollen Modelle für weitere Systeme in der chemischen Absorption entwickelt und in
die Software implementiert werden.
In diesem Beitrag werden das verwendete rigorose dynamische Modell sowie die
Validierung und erste Ergebnisse aus der Ursache-Wirkungs-Analyse dargestellt.
Danksagung Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie für die finanzielle
Unterstützung unseres Kooperationsprojekts (ZF4032921BZ7).
73
Entwicklung von Schaumzerstörungskonzepten für Packungskolonnen
Kai Dominik Lechner, Jens-Uwe Repke, TU Berlin, 10623 Berlin, Deutschland
Die Bildung unerwünschter Schäume in verfahrenstechnischen Anlagen stellt häufig
eine deutliche Beeinträchtigung des Prozesses dar. Als Folge der Schaumbildung
kommt es zu Änderungen der Massen-, Impuls und Energietransporteffekten, welche
zu einer Steigerung des Energiebedarfs, Verringerung der Durchsatz- und
Trennleistung bis hin zur Nichtbetreibbarkeit des Prozesses führt.
Da die physikalischen Zusammenhänge der Schaumentstehung noch nicht voll
umfänglich untersucht und insbesondere die – häufig empirisch - getroffenen
Gegenmaßnahmen nur auf die Schaumphase, nicht aber auf deren eigentliche
Entstehung wirken, wurde ein von der AiF und DFG finanzierter Forschungsverbund
aus Vertretern der chemischen Verfahrenstechnik und Lebensmittelindustrie initiiert,
der neben den Schaumbildungseffekten auch technische Maßnahmen zur
Inhibierung und Zerstörung unerwünschter Schäume erarbeiten soll.
Ein Teilaspekt des Forschungsclusters stellt die Anfertigung einer Studie zur
Erfassung stofflicher, betrieblicher und hydromechanischer Ursachen der
Schaumbildung dar. Mithilfe eines Fragenkatalogs werden Angaben zur Entstehung
und Auswirkung des Schaumes auf die Betreibbarkeit des Prozesses sowie
bezüglich der eingesetzten Verfahren zur Unterdrückung und Beseitigung des
Schaumes abgefragt. Die Auswertung des Katalogs soll dazu beitragen, technische
Konzepte und Betriebsstrategien für schaumsensible Prozesse zu erarbeiten und
anhand einer DN300-Packungskolonne im Technikumsmaßstab zu erproben
Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten im gesamten Cluster liegt dabei vor allem
auf der Implementierung von passiven und aktiven
Schaumzerstörungsmechanismen. Erstere umfassen neuartige Packungsgeometrien
und –werkstoffe, während im Bereich der aktiven Verfahren der Fokus auf dem
Einsatz von Ultraschall, dem Beregnen des Schaums mit arteigener Flüssigkeit sowie
der Einkopplung thermischer Strahlung liegt. Die zunächst untersuchten
Stoffsysteme beschränken sich auf die chemische Industrie und umfassen wässrige
Gemische aus 1-Butanol und Monoethanolamin. Bei Bedarf und nachgewiesener
technischer Machbarkeit werden Messungen mit weiteren Stoffsystemen aus
anderen Industriebereichen folgen.
74
High GRavity TechnolOgy CenTer DORtmund Mirko Skiborowski, Andrzej Górak, Gerhard Schembecker
Technische Universität Dortmund, Dortmund, Deutschland
Der Trend zur Prozessintensivierung in der chemischen Industrie ist ungebrochen.
Von besonderer Bedeutung sind hierbei innovative und flexible Technologien, die
substantielle Einsparungen im Hinblick auf Apparatevolumen und Energieverbrauch
ermöglichen. Das High GRavity TechnolOgy CenTer DORtmund (ROTOR) hat sich
hierzu der Entwicklung und Erforschung modularer und flexibler Trennprozesse unter
Ausnutzung eines zentrifugalen Feldes verschrieben und bündelt die Kompetenzen
der Lehrstühle für Fluidverfahrenstechnik und Anlagen- und Prozesstechnik in einem
einzigartigen Kompetenzzentrum.
Als Stoffaustauschmaschinen werden primär Rotating Packed Beds (RPBs) und
Centrifugal Partitioning Chromatography (CPC) erforscht. RPBs können sowohl als
hocheffiziente Flüssig-Flüssig Mischer als auch als Gas/Dampf-Flüssig-Kontaktoren
im Bereich der Absorption, Destillation und des Strippens genutzt werden. Neben
einer deutlichen Steigerung des volumetrischen Stoffaustauschs ermöglicht die
variable Rotationsgeschwindigkeit der RPBs einen flexiblen Betrieb bei hohen
Belastungsgrenzen. Im Gegensatz zu den RPBs wird das Zentrifugalfeld bei der
(CPC) zur Immobilisierung einer flüssigen Phase beim Stoffübergang zwischen zwei
nicht mischbaren Flüssigphasen genutzt. Durch extrem hohe Kammerzahlen (>1000)
ermöglicht die CPC die Auftrennung komplexer Stoffgemische mit nur geringen
Unterschieden in den Verteilungskoeffizienten und sehr geringen Selektivitäten.
ROTOR bündelt die Kompetenzen im Bereich dieser Technologien und die
Erkenntnisse aus 10 Jahren Forschung. Das Kompetenzzentrum verfügt mit sieben
RPBs in Dortmund und einem weiteren RPB in Lodz sowie zwei CPCs über
einzigartige Kapazitäten im Bereich HiGee Trennverfahren. Derzeit arbeiten acht
Doktoranden und ein Postdoc im Zentrum. Sie nutzen unter anderem CFD
Simulationen und 3D Druck für die Ausgestaltung von Einbauten und entwickeln die
Maschinen in direkter Kooperation mit den Herstellern weiter. Der Beitrag bietet eine
Übersicht über die bestehenden Kapazitäten ROTORs sowie aktuelle
Forschungsprojekte und Kooperationen.
75
Membrantechnik Poster
76
Membranes based on polymerized ionic liquids Fridolin O. Sommer1, Udo Kragl*,
1Department Life, Light & Matter, University of Rostock, Albert-Einstein-Straße 25,
18059 Rostock, Germany
*Institute of Chemistry, University of Rostock, Albert-Einstein-Straße 3a, 18059
Rostock, Germany
The term polymerized ionic liquids (PILs) describes charged polymers which combine
the advantages of solid polymeric structures as well as these of ionic liquids (IL).
Besides remarkable properties of ILs, these polymers are manifold due to the
synthetic variety making them and represent an interesting material in the field of
filtration and purification processes.[1]
The PILs membranes presented are achievable by two different methods starting
from identical IL monomers and using ultraviolet (UV) light or free radical
polymerization. A film applicator supports the formation of homogeneous monomer or
polymer layers with defined heights, which is a universal approach to synthesize
membranes with different starting materials.
Polyvinylimidazolium-based polymers are used to form neat free standing PILs
membranes. These polymers have in their straightforward form alkyl side,
subsequent ion exchange of the polymer generates a miscibility gap[2] in water taken
advantage of in the forming process. Moreover, the exchange of halogenic anions to
more complex anions improves physical and chemical properties of the polymer.
Nevertheless, both manufacturing methods, membrane formation by
UV-polymerization or casting solutions, could be applicated in filtration processes.
Performance of PILs membranes was tested in stirred dead-end cells determining
flux and permeance and were compared to commercially available ultra- and
nanofiltration membranes. Herein, charged compartments in membranes are known
to improve the water permeability and anti-fouling properties in application.[3]
[1] J. Claus, F. O. Sommer, U. Kragl, Solid State Ionics 2018, 314, 119–128.
[2] R. Marcilla, J. Alberto Blazquez, J. Rodriguez, J. A. Pomposo, D. Mecerreyes,
J. Polym. Sci. Part A Polym. Chem. 2004, 42, 208–212.
[3] P. Bengani, Y. Kou, A. Asatekin, J. Memb. Sci. 2015, 493, 755–765.
77
Fractionation of casein micelles and minor proteins by microfiltration in diafiltration mode
Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Heidebrecht, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kulozik,
Lehrstuhl für Lebensmittel- und Bio-Prozesstechnik, Technische Universität
München, Freising/Deutschland
Study of the transmission and yield of the immunoglobulins IgG, IgA and IgM
The use of bioactive bovine milk immunoglobulins (Ig) is a possible treatment
alternative for gastrointestinal human diseases instead of expensive therapies with
alternating antibiotics. The main challenge remains in obtaining high amounts of
bioactive Ig from an available source as mature cow milk by means of industrial
processes.
The combination of microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF), operated in diafiltration
mode, was chosen to enable a gentle and effective concentration of the Ig fractions
(ca. 0.06 % (w/w) in raw milk) while decreasing casein and microorganism the same
time. Existing works regarding milk protein fractionation by microfiltration (MF)
focused on the separation of the major whey proteins and casein micelles, but there
is little information with respect to the filtration performance of the immunoglobulins
(Ig) and other minor whey proteins in milk. The critical question derives from the fact
that their mean diameter is 2 to 10 times (7-25 nm) larger compared to the major
whey proteins (2-4 nm). The order of transmission was α-lactalbumin (2.3 nm)> β-
Lactoglobulin (4.2 nm)>IgG (10.7 nm)> lactoperoxidase (8.2 nm)> IgA (18.1 nm)>
IgM (23.8 nm)> lactoferrine> blood serum albumin (7.8 nm) independent of the
applied transmembrane pressure (0.6-3 bar) and equal to
55%>50%>47%>41%>39%>32%>22%>19%. Including pre-concentration by a factor
two, it was possible to yield 90% of the initial IgG, IgA and IgM within 85, 119, and
160 min based on 1 m² of membrane area and 50 L of skim milk volume. The long-
term process stress at 50 °C did not impact α-La an IgG but β-Lg (3-5%
denaturation), which however was selectively retained by the MF. In conclusion, MF
is not only suitable for fractionation of the major whey proteins and caseins, but also
for the minor and far bigger immunoglobulins.
78
Einfluss der Selektivschicht keramischer Mehrkanal- und Spiralwickelmembranen auf die
Fraktionierung von Proteingemischen
Technische Universität München,
Lehrstuhl für Lebensmittel- und Bio-Prozesstechnik,
M. Sc. Simon Schiffer, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kulozik
Die Membrantrenntechnik ermöglicht die Gewinnung von Proteinfraktionen in hoher
Reinheit, ohne deren Funktionalität zu vermindern. Hinsichtlich der Reinheit der
Proteine bei gleichzeitig hohem Massenstrom ergibt sich jedoch ein Zielkonflikt,
welcher auf Deckschichtphänomenen gründet. Diese sind wiederum auf
Wechselwirkungen zwischen den Proteinen sowie auf Protein-Membran-
Interaktionen zurückzuführen. Daraus ergibt sich der Optimierungsansatz, über den
Einfluss der Selektivschicht auf die Interaktionen zwischen Proteinen und Membran
und folglich auf die Struktur und Zusammensetzung der Deckschicht einzuwirken.
Ziel dieser Studie war es, den Einfluss unterschiedlicher Selektivschichten
(u.a. Al2O3, ZrO2 und TiO2) keramischer Mehrkanal- und polymerer
Spiralwickelmembranen auf die Proteintransmission sowie den Flux zu untersuchen,
um die Filtrationseffizienz in Bezug auf die Reinheit der Proteinfraktionen sowie den
Massenstrom zu steigern.
Hierfür wurde Magermilch als Modellfluid mittels Mikrofiltration (0,1 µm; 10–55 °C) in
Caseine (Ø ~ 50–400 nm) und Molkenproteine (Ø ~ 4–8 nm) fraktioniert. Neben
unterschiedlichen Selektivschichtzusammensetzungen wurden die
Filtrationsparameter Überströmgeschwindigkeit und transmembrane Druckdifferenz
mit in die Betrachtung aufgenommen. Auf dieser Grundlage konnten Rückschlüsse
auf die Filtrations- und Deckschichtbildungseigenschaften gezogen werden, welche
durch die unterschiedlichen Selektivschichten bedingt sind. Es konnte festgestellt
werden, dass durch die Wahl der Selektivschichtmaterialien die Reinheit der
Molkenproteinfraktion bei gleichzeitigem Erhalt des Massenstroms und
unveränderten Filtrationsbedingungen erreicht werden kann. Diese Arbeit dient als
Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Membranmaterialien zur
Fraktionierung hochkomplexer Proteingemische.
79
How to find Suitable Organic Solvent Nanofiltration Membranes for Catalyst Recovery
Peters, Vogt, Dreimann, TU Dortmund, Dortmund/Germany
There are several advantages of homogeneous catalysts compared to their
heterogeneous relatives, like for instance higher activity and improved selectivity.
Despite that, homogeneous catalysis suffers from a major drawback in terms of
downstream separation of the catalysts from the reaction media.[1] One promising
approach to tackle this hurdle on the way to industrial application is to use Organic
Solvent Nanofiltration (OSN) membranes as a barrier for the catalysts. In the best
case scenario, OSN lets substrates and products pass, but hinders the catalyst and
its ligands to leave the reaction system.[2] A huge benefit of OSN compared to
conventional systems like distillation or other alternatives like thermomorphic solvent
systems (TMS) is the separation without thermal stress, which leads to a minimal
loss of catalyst activity.[3]
Though good results in recovery and reaction rates are already published in the
literature for a few reactions,[3,4] there is no suitable selection tool for membranes
depending on catalyst complex characteristics available. With such a tool, based on
a database with reference molecules, it could be possible to quickly identify possible
matching membrane materials for a given reaction one step ahead of testing in order
to avoid expensive trial-and-error experiments in miniplants.
This poster contribution presents an approach for a standardized test system
including a case study to prove its abilities in shortening development time and
reducing costs.
Literature [1] A. Behr, P. Neubert, Applied homogeneous catalysis, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA,
Weinheim, 2012.
[2] P. C. J. Kamer, D. Vogt, J. W. Thybaut (Eds.) Contemporary Catalysis. Science, Technology, and
Applications, Royal Society of Chemistry, London, 2017.
[3] J. M. Dreimann, M. Skiborowski, A. Behr, A. J. Vorholt, ChemCatChem 2016, 8, 3330.
[4] a) P. Marchetti, M. F. Jimenez Solomon, G. Szekely, A. G. Livingston, Chem. Rev. 2014, 114,
10735; b) M. Janssen, C. Müller, D. Vogt, Green Chem. 2011, 13, 2247; c) D. Vogelsang, J. M.
Dreimann, D. Wenzel, L. Peeva, J. da Silva Burgal, A. G. Livingston, A. Behr, A. J. Vorholt, Ind.
Eng. Chem. Res. 2017, 56, 13634; d) J. M. Dreimann, F. Hoffmann, M. Skiborowski, A. Behr, A.
J. Vorholt, Ind. Eng. Chem. Res. 2017, 56, 1354.
80
Entwicklung von wasserselektiven Membranen für die Methanisierung von CO2 nach dem Sol-Gel Verfahren
Matthis Kurth1, Jens-Uwe Repke2, Stefan Rönsch1,3
1 Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH, Leipzig/Deutschland 2 TU Berlin, Fachgebiet dbta, Berlin/Deutschland
3 Ernst-Abbe-Hochschule, Jena/Deutschland
Hintergrund und Problemstellung
Im Zuge der Sektorkopplung dienen verschiedene technische Verfahren der Nutzung
und Speicherung von überschüssigem Strom. Ein wichtiger Teil davon sind
sogenannte Power-To-X-Prozesse, die den anfallenden Strom flexibel in
speicherbare oder anderweitig chemisch nutzbare Produkte überführen. Die
Methanisierung von CO2 und H2 ist einer dieser Prozesse, der jedoch derzeit
ökonomisch nicht wettbewerbsfähig ist.
Durch die kontinuierliche Abscheidung von Wasser während der Sabatier-Reaktion
kann nach dem Prinzip nach LeChatalier das chemische Gleichgewicht zu den
Produkten Methan und Wasser verschoben werden. Eine Verbesserung der
Wirtschaftlichkeit des Prozesses ist die Folge.
Zielstellung und Vorgehen
Das Ziel dieser Arbeit ist es, wasserabscheidende Membranen für die
Methanisierung von CO2 herzustellen und zu charakterisieren. Dazu werden am
DBFZ anorganische Membranen auf Al2O3-Trägern nach dem Sol-Gel Verfahren
synthetisiert. Es wird der Einfluss der Temperatur und des pH-Wertes des Sol-Gels
auf dessen Viskosität und Partikelgrößenverteilung untersucht. Als
Charakterisierungsmethoden der synthetisierten Membran werden u.a. Analysen der
Oberfläche durchgeführt. Es werden die bisher gewonnenen Ergebnisse des
Herstellungsprozesses und erste Oberflächenanalysen diskutiert.
Angelehnt an Literaturrecherchen ist mit dieser Art der Membran eine
Umsatzsteigerung der Methanisierungsreaktion zu erwarten.
81
Costly Extravaganza to Everyday Chemicals
Introducing Ionic Liquids beyond Speciality Chemicals
Steffen Tröger-Müller, Dr. rer. nat.
Ionic Liquids (ILs) are salts that are usually obtained from various combinations of organic cations and a wide range of different anions. They are liquid below 100°C, with many ILs relevant in chemical research being also liquid at or even well below room temperature forming so-called room temperature Ionic Liquids (RTILs). As non-volatile, extremely tunable designer chemicals, they have the potential to substantially increase both efficiency and safety in most to any application. The unique profile of ILs also allows the development of new structures, characteristics and applications in the field of materials.
In terms of their application, however, their potential is mostly unused due to their high price. In order to make their potential usable ILs must be synthesized in an economically competitive way. Herein we introduce the use of ionic liquids produced with an ecologically benign and economically viable method and their exemplary use to modify membranes.
82
Mixed-Matrix-Membranes for Gas Separation Steven Kluge, Michael Weiß, Murat Tutuş; Fraunhofer Institute for Applied Polymer
Research IAP, Department Membranes and Functional Films; Potsdam/Germany
For industry an interesting approach could be, to change waste gases to resources.
The biggest problem for technical applications is that most emitting processes in
industry contain a mixture of various gases, which have to be separated and purified
at first. Separation and purification is already possible by means of polymeric
membranes. They show lower prices but also lower permeabilities than ceramic
membranes. With mixed-matrix-membranes (MMM) you can have both: an affordable
membrane for gas separation and high permeation rates. In MMM, one gas can
adsorb to the built-in particles and thus penetrate the membrane much faster than
other gases. With a good interaction between polymer and particle, this also
improves selectivity, compared to neat polymeric membranes.
In our group we are able to fabricate thin films as dense, microporous, integrally
asymmetrical or mixed matrix membranes. These membrane types can, for example,
separate gases, purify water or separate liquid mixtures. We are also equipped to do
upscaling tests and thoroughly characterize the fabricated membranes.
83
Lateral flow assay optimization by means of digital modeling
A. A. Gonzalez² ,W. Kunz³, P. Altschuh¹, F. Jamshidi², M. Bremerich³, A. Reiche³,
D. Melzner³, M. Selzer¹ ², B. Nestler¹ ²
¹ Institute of Applied Materials - CMS, Karlsruhe Institute of Technology,
Straße am Forum 7, 76131 Karlsruhe
² Institute of Digital Materials Science, Karlsruhe University of Applied Sciences,
Moltkestraße 30, 76133 Karlsruhe
³ Sartorius Stedim Biotech GmbH, August-Spindler-Straße 11, 37079 Göttingen
The use of lateral flow assays (LFA) is of great importance in the field of global health
care and disease control by enabling fast, easy-to-use and cost-effective diagnostic
tests. The rapid growth in its demand has forced the LFA quality enhancement and
motivated further investigations on the basic processes responsible for the signal
generation and assay sensitivity, factors that define the assay quality.
Digital models, computer-assisted morphological characterizations and numerical
simulations of membranes (microporous structures), the LFA component responsible
for the sample fluid transport, are used as tools to determine the LFA properties and
predict their performance. The major advantage of computational modeling is the
possibility of testing different parameter constellations to enhance the test
performance without experimental effort.
In order to achieve a better understanding of the governing physical processes, the
microporous structure is digitally reconstructed and used to perform numerical fluid
flow simulations. These digital representations are achieved by 3D imaging
techniques and algorithmic reconstructions. Several characterization methods are
developed in order to quantify crucial morphological membrane properties, amongst
others the pore size distribution, permeability and internal surface area. Numerical
simulations comprise fluid propagation through the porous membrane by capillary
action, convection and analyte diffusion within the sample fluid, as well as adsorption
processes at the membrane surface. The goal of this investigation is to gain a better
understanding of membranes key performance parameters for LFA as well as the
optimization of the assay reproducibility and reagent consumption.
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Untersuchungen zur Trennschärfe der Ultrafiltration von Treberpresswasser durch Variation von Temperatur und pH-Wert
F. Grahl1, V. Herdegen1, N. Beitlich2, K. Speer2, J-U. Repke3, R. Haseneder1 1TU Bergakademie Freiberg, Freiberg; 2TU Dresden, Dresden; 3TU Berlin, Berlin
Es werden Untersuchungen zur Entwicklung eines mehrstufigen Verfahrens zur
Abtrennung von Inhaltsstoffen aus Treberpresswasser wie Proteinen und
Polyphenolen mittels Membrantechnik vorgestellt. Damit soll ergänzend zu
Nutzungsansätzen für den getrockneten Treber eine Nutzungsalternative für das
Presswasser geschaffen werden, welches bei der mechanischen Entwässerung von
Frischtreber anfällt und bisher weitestgehend ungenutzt bleibt. Nach einer
Sterilfiltration und Trübstoffabtrennung und vor einer Nanofiltrationsstufe zur
Aufkonzentrierung nimmt die Ultrafiltration eine Schlüsselposition zur möglichst
vollständigen Abtrennung der Stoffklasse der Proteine ein. Dabei ist eine hohe
Selektivität zwischen Proteinen und Polyphenolen nötig, um beide Stoffklassen in
getrennte Fraktionen überführen zu können.
Auf Grund der Molekülmassen von unter 3 kDa für Polyphenole wäre für diese
verglichen mit den Proteinen ein geringerer Rückhalt zu erwarten gewesen. In
bisherigen Versuchen mit PES-Membranen mit einem MWCO von 50, 30 und 4 kDa
zeigte sich jedoch unabhängig von den Betriebsbedingungen ein nahezu gleicher
Rückhalt von Polyphenolen und Proteinen. Dies kann zum einen durch die Bildung
von Protein-Phenol-Komplexen und zum anderen durch einen adsorptiven Rückhalt
von Polyphenolen in der Deckschicht sowie an der Membranoberfläche erklärt
werden.
Mit Hilfe der Variation von Temperatur und pH-Wert wurde untersucht, ob die
Selektivität für Proteine und Polyphenole durch Aufspalten der genannten Komplexe
sowie durch eine Verringerung des adsorptiven Rückhalts erhöht werden kann. Im
Rahmen des Posters werden Ergebnisse aus Versuchen mit einer 30 kDa PES-
Membran in einem gerührten Dead-End-Modul bei Filtrationstemperaturen von 20 bis
60°C und pH-Werten von 4,5 (Ausgangs-pH-Wert) bis 10,5 vorgestellt. Als Feed
diente per Mikrofiltration vorbehandeltes Treberpresswasser. Die Auswirkungen
der Temperatur- und pH-Wert-Variation werden hinsichtlich des jeweiligen Rückhalts
von Polyphenolen und Proteinen sowie der erreichbaren Permeabilitäten und des
Foulingverhaltens betrachtet. 85