27. – 29. März 2019 · Potsdam Jahrestreffen der ProcessNet … · 2019-02-27 · Rektifikations-kolonnen. Hierfür werden die Modelle von ENDER K 2018 [1] verwendet, welche auf

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.

6

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).

8

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.

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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.

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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.

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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


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


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

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