Aufklärung mehrphasiger Reaktions- und Trennapparate

Mehrphasige Apparate werden in der Verfahrenstechnik in vielen Grundoperationen eingesetzt. Die Kenntnis des Strömungsverhaltens zueinander bzw. die Kontaktierung der (beiden) Phasen stellt dabei die Grundlage für die Entwicklung und Auslegung einer effizienter Stoffaustauschapparate dar. Der Gegenstand eigener Forschungsprojekte ist die Aufklärung solcher Apparate mithilfe nicht-invasiver Messverfahren.

 

Laufende & abgeschlossene Projekte

  • Helmholtz-Energie-Allianz: Energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse
    Die chemische Industrie ist mit einem Gesamtumsatz von 170 Mrd. EUR (2010) und ca. 462.000 Beschäftigten einer der wichtigsten Industriezweige der deutschen Wirtschaft. Die Herstellung der mehr als 30.000 Chemikalien erfordert einen sehr hohen Energieeinsatz (ca. 8% des gesamten Energieverbrauchs der Industrieländer). Demzufolge ist der Anteil der Energiekosten an der Bruttowertschöpfung mit ca. 5% (2008) überdurchschnittlich hoch. Die Erreichung der Klimaschutzziele unter den Bedingungen der in Deutschland anstehenden energiepolitischen Veränderungen erfordert neben dem Ausbau der erneuerbaren Energien und der Entwicklung geeigneter Speichertechnologien große Anstrengungen im Bereich der Energieeffizienz. Potenziale zur Energieeinsparung in der chemischen Industrie bestehen ei-nerseits bei der energetischen Prozessoptimierung durch effiziente Wärmerückgewinnung und Modernisierung elektrischer Anlagenkomponenten, andererseits in der Optimierung von Syn-theseabläufen und der Reduzierung von Stoff- und Wärmetransportwiderständen in Reakti-onsapparaten.
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  • Verbundprojekt: Chemische Prozesse – Multiskalenmodellierung von Mehrphasenreaktoren
    (Multi-Phase)

    Die Produktion chemischer Grundstoffe und deren chemische und biochemische Weiterverarbeitung erfolgt in den meisten Fällen in Flüssigkeiten mit dispergiertem Gas und/oder Feststoff. Als wichtiger Reaktortyp für die Dispergierung von Gas in Flüssigkeit mit evtl. suspendiertem Feststoff gelten Blasensäulen. Rund 30 Millionen Tonnen Zwischen-und Endprodukte werden pro Jahr in Blasensäulen hergestellt.

    Eine maßgeschneiderte Auslegung industrieller Mehrphasenreaktoren, wie beispielsweise Blasensäulen, birgt ein enormes Potenzial zur Energie- und Ressourcenschonung und einen signifikanten Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele.
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  • Tomographische Leitfähigkeitsmessungen
    Tomographische Messverfahren für verfahrenstechnische Anwendungen werden immer häufiger zum Messen von zwei- und dreidimensionalen Temperatur-, Konzentrations- und Geschwindigkeitsfeldern eingesetzt. Bei der konduktiven Tomographie wird der Gasgehalt aus den gemessenen Leitfähigkeiten zwischen den entlang des Apparateumfanges installierten Elektroden rekonstruiert. Der Vorteil dieser Messverfahren ist das berührungslose und rückwirkungsfreie Messen in dem betrachteten Reaktorvolumen. Ziel des Forschungsprojektes ist es, tomographische Leitfähigkeitsmessungen in zweiphasigen Apparaten insbesondere für die Untersuchung nicht-wässriger Systeme zu implementieren.
  • Flüssigkeitsverteilung in strukturierten Packungen
    Die Verteilung der Flüssigkeit bei der Gas-Flüssigkeits-Strömung durch strukturierte Packungen spielt eine große Rolle hinsichtlich der Trennleistung. Um die ungleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit zu berücksichtigen, müssen die Verteilungsphänomene theoretisch und experimentell untersucht werden. Experimentell können statt konventioneller Messungen tomographische Messverfahren in dem Bereich eingesetzt werden. Theoretische Untersuchungen werden unter Anwendung von CFD-Software durchgeführt. Aufbauend auf den Ergebnissen von Mewes et. al. (Chem. Eng. Sci. 54,1999) werden Arbeiten zur Modellierung der Flüssigkeitsverteilung durchgeführt.
  • Instationäre Betriebsführung mehrphasiger Apparate
    Als Beispielapparate werden Rieselbettreaktoren betrachtet. Schon früh konnte experimentell und theoretisch dargestellt werden, dass eine periodische Variation der Betriebsparameter zu einer Verbesserung hinsichtlich Umsatz und Selektivität einer Reaktion führen kann. In der Zwischenzeit wurde zur mathematischen Beschreibung eine Reihe von Modellen entwickelt. Insbesondere hinsichtlich der Modellierungstiefe und –genauigkeit unterscheiden sich die Modelle deutlich. In eigenen Arbeiten konnte ein Modell zur rigorosen Beschreibung der Benetzung der Katalysatorpartikel in Abhängigkeit vom Holdup entwickelt werden (siehe unten ‚Rieselbettreaktoren‘).
    Mithilfe der oben beschriebenen tomographischen Messverfahren sollen die Parameter zur Validierung der Hydrodynamik bestimmt werden.
  • Koaleszenzverhalten 2phasiger Strömungen in monolithischen Strömungskanälen
    Ziel der Untersuchungen ist es eine dispergierte Zweiphasenströmung in einem monolithischen Kanälen experimentell zu untersuchen und die sich entlang der Strömungsrichtung ändernden Strömungsform zu charakterisieren.