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V8.25 Tropfenpopulationsbasierte Modellierung gerɒhrter Extraktionskolonnen Dipl.-Ing. T. Steinmetz 1) , Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. H.-J. Bart 1) (E-Mail: [email protected]) 1) Lehrstuhl fɒr Thermische Verfahrenstechnik, TU Kaiserslautern, Postfach 3049, D-67653 Kaiserslautern. 10.1002/cite.200650399 Extraktive Verfahren werden im gesamten Be- reich der Verfahrenstechnik eingesetzt, wobei zunehmendes Interesse im Pharmabereich und bei der Aufarbeitung nachwachsender Rohstoffe wie bei der Phytoextraktion und in der Weißen Biotechnologie (http://dechema. de/extraktion) zu finden ist. Die Zielsubstan- zen sind kleine bis mittelgroße Verbindungen, die destillativ zu aufwȨndig (Azeotropie, Zer- setzungsgefahr) bzw. chromatographisch zu teuer (Kosten der stationȨren Phase) in der Aufarbeitung wȨren [1]. Die Gegenstrom-Flɒssig/Flɒssig-Extraktion in Kolonnen offeriert hohe Stufenzahlen und hohen Durchsatz und kann auch mit flɒssigen Ionentauschern gezielt SelektivitȨt und Kapa- zitȨt erhɆhen [2]. Fɒr ein schnelles und ver- trauenswɒrdiges Prozessdesign ist es wichtig, das Verhalten (Wirkungsgrad, Durchsatz) einer Kolonne mɆglichst genau voraussagen zu kɆnnen. Mit den z. Z. verwendeten Rɒck- vermischungsmodellen (Dispersions-, Backmi- xing-, HDU-NTU-Modell) werden starke Ver- einfachungen getroffen und der polydispersen Natur des Tropfenschwarms im Apparat nicht Rechnung getragen. Mit dem Windows-basierten Tropfenpopula- tionsbilanzprogramm LLECMOD [3] ist es mɆglich, bei der Kolonnenprofilberechnung (Konzentrations-, Hold-up-, TropfengrɆßenver- teilungs- und Sauter-Durchmesserprofil) die Ɛnderung der Stoffdaten, bedingt durch den Stoffaustausch, ɒber die KolonnenhɆhe zu be- rɒcksichtigen. Fɒr jede Position entlang der Kolonne kɆnnen alle auslegungsrelevanten GrɆßen abgebildet werden. Die fɒr die Berech- nung notwendigen Parameter kɆnnen entwe- der durch die im Verbund entwickelten Korre- lationen bzw. standardisierten Laborversuche gewonnen werden. Es wird gezeigt, dass damit das Verhalten unterschiedlicher Kolonnenty- pen bzw. Kolonnen mit verschiedenem Durch- messer effizient und mit geringem Aufwand mit technisch ausreichender Genauigkeit vor- ausberechnet werden kann. [1] H.-J. Bart, Chem. Ing. Tech. 2005, 77 (11), 1773. DOI: 10.1002/cite.200500115 [2] H.-J. Bart, G. Stevens, Reactive Solvent Extracti- on, in Ion Exchange and Solvent Extraction (Eds: M. Kertes, A. K. Sengupta), Marcel Dekker, New York 2004, 37. [3] M. Attarakih, H.-J. Bart, N. M. Faqir, Chem. Eng. Process. 2006, 45, 113. Poster P8.01 Bestimmung von Adsorptionsisothermen durch Frequency-Response-Analyse Dipl.-Ing. M. Ilic 1) (E-Mail: [email protected]), Prof. Dr. M. Petkovska 2) , Prof. Dr. A. Seidel-Morgenstern 1,3) 1) Physikalisch-Chemische Grundlagen der Prozesstechnik/Max-Planck-Institut fɒr Dynamik komplexer technischer Systeme, Sandtorstraße 1, D-39106 Magdeburg. 2) Lehrstuhl fɒr Chemische Verfahrenstechnik, FakultȨt fɒr Technologie und Metallurgie, UniversitȨt Belgrad, Karnegijeva 4, 11120 Belgrad, Serbien. 3) Lehrstuhl fɒr Chemische Verfahrenstechnik/Otto-von-Guericke-UniversitȨt, UniversitȨtsplatz 2, D-39106 Magdeburg. 10.1002/cite.200650102 Die Anwendbarkeit der nicht linearen Fre- quency-Response (FR)-Methode zur Bestim- mung von Einzelstoff-Adsorptionsisothermen wurde untersucht. Bei dem Fallbeispiel han- delt es sich um die Adsorption von 4-tert-Butyl- phenol und Ethylbenzoat als Einzelkomponen- ten auf Octadecyl-Silica (ODS) aus einer Mischung von CH 3 OH und H 2 O im Volumen- 1296 Chemie Ingenieur Technik 2006, 78, No. 9 Fluidverfahrenstechnik www.cit-journal.de # 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Bestimmung von Adsorptionsisothermen durch Frequency-Response-Analyse

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Page 1: Bestimmung von Adsorptionsisothermen durch Frequency-Response-Analyse

V8.25

Tropfenpopulationsbasierte Modellierungger�hrter ExtraktionskolonnenDipl.-Ing. T. Steinmetz1), Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. H.-J. Bart1) (E-Mail: [email protected])1)Lehrstuhl f�r Thermische Verfahrenstechnik, TU Kaiserslautern, Postfach 3049, D-67653 Kaiserslautern.

10.1002/cite.200650399

Extraktive Verfahren werden im gesamten Be-reich der Verfahrenstechnik eingesetzt, wobeizunehmendes Interesse im Pharmabereichund bei der Aufarbeitung nachwachsenderRohstoffe wie bei der Phytoextraktion und inder Weißen Biotechnologie (http://dechema.de/extraktion) zu finden ist. Die Zielsubstan-zen sind kleine bis mittelgroße Verbindungen,die destillativ zu aufw�ndig (Azeotropie, Zer-setzungsgefahr) bzw. chromatographisch zuteuer (Kosten der station�ren Phase) in derAufarbeitung w�ren [1].Die Gegenstrom-Fl�ssig/Fl�ssig-Extraktion

in Kolonnen offeriert hohe Stufenzahlen undhohen Durchsatz und kann auch mit fl�ssigenIonentauschern gezielt Selektivit�t und Kapa-zit�t erh�hen [2]. F�r ein schnelles und ver-trauensw�rdiges Prozessdesign ist es wichtig,das Verhalten (Wirkungsgrad, Durchsatz)einer Kolonne m�glichst genau voraussagenzu k�nnen. Mit den z. Z. verwendeten R�ck-vermischungsmodellen (Dispersions-, Backmi-xing-, HDU-NTU-Modell) werden starke Ver-einfachungen getroffen und der polydispersenNatur des Tropfenschwarms im Apparat nichtRechnung getragen.Mit dem Windows-basierten Tropfenpopula-

tionsbilanzprogramm LLECMOD [3] ist es

m�glich, bei der Kolonnenprofilberechnung(Konzentrations-, Hold-up-, Tropfengr�ßenver-teilungs- und Sauter-Durchmesserprofil) die�nderung der Stoffdaten, bedingt durch denStoffaustausch, �ber die Kolonnenh�he zu be-r�cksichtigen. F�r jede Position entlang derKolonne k�nnen alle auslegungsrelevantenGr�ßen abgebildet werden. Die f�r die Berech-nung notwendigen Parameter k�nnen entwe-der durch die im Verbund entwickelten Korre-lationen bzw. standardisierten Laborversuchegewonnen werden. Es wird gezeigt, dass damitdas Verhalten unterschiedlicher Kolonnenty-pen bzw. Kolonnen mit verschiedenem Durch-messer effizient und mit geringem Aufwandmit technisch ausreichender Genauigkeit vor-ausberechnet werden kann.

[1] H.-J. Bart, Chem. Ing. Tech. 2005, 77 (11), 1773.DOI: 10.1002/cite.200500115

[2] H.-J. Bart, G. Stevens, Reactive Solvent Extracti-on, in Ion Exchange and Solvent Extraction (Eds:M. Kertes, A. K. Sengupta), Marcel Dekker,New York 2004, 37.

[3] M. Attarakih, H.-J. Bart, N. M. Faqir, Chem.Eng. Process. 2006, 45, 113.

Poster

P8.01

Bestimmung von Adsorptionsisothermendurch Frequency-Response-AnalyseDipl.-Ing. M. Ilic1) (E-Mail:[email protected]), Prof. Dr. M. Petkovska2),Prof. Dr. A. Seidel-Morgenstern1,3)

1)Physikalisch-Chemische Grundlagen der Prozesstechnik/Max-Planck-Institut f�r Dynamik komplexertechnischer Systeme, Sandtorstraße 1, D-39106 Magdeburg.

2)Lehrstuhl f�r Chemische Verfahrenstechnik, Fakult�t f�r Technologie und Metallurgie, Universit�tBelgrad, Karnegijeva 4, 11120 Belgrad, Serbien.

3)Lehrstuhl f�r Chemische Verfahrenstechnik/Otto-von-Guericke-Universit�t, Universit�tsplatz 2,D-39106 Magdeburg.

10.1002/cite.200650102

Die Anwendbarkeit der nicht linearen Fre-quency-Response (FR)-Methode zur Bestim-mung von Einzelstoff-Adsorptionsisothermenwurde untersucht. Bei dem Fallbeispiel han-

delt es sich um die Adsorption von 4-tert-Butyl-phenol und Ethylbenzoat als Einzelkomponen-ten auf Octadecyl-Silica (ODS) aus einerMischung von CH3OH und H2O im Volumen-

1296 Chemie Ingenieur Technik 2006, 78, No. 9Fluidverfahrenstechnik

www.cit-journal.de � 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

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verh�ltnis von 60:40. Die Methode basiert aufder Analyse der nicht linearen FR der Trenn-s�ule in Kombination mit FR-Funktionen(FRF) h�herer Ordnung, wenn die Eingangs-konzentration periodisch ge�ndert wird. DieFRF sind f�r die Bewertung der ersten, zwei-ten und dritten Isothermenableitungen desausgew�hlten station�ren Zustands angewen-det worden. Die Absolutwerte der Ableitungensind aus den Niederfrequenzasymptoten derersten Ableitungen der entsprechenden FRFermittelt worden. Die Vorzeichen der zweitenbzw. der dritten Ableitungen ergeben sich ausden Niederfrequenzasymptoten der Phasender FRF zweiter und dritter Ordnung [1].Unter den gegebenen Versuchsbedingungen

kann die Adsorption von 4-tert-Butylphenolund Ethylbenzoat mit Hilfe von Langmuir-

bzw. BET-Isothermen beschrieben werden. DieExperimente sind mit einer �blichen HPLC-Anlage durchgef�hrt worden, die die Ein-gangskonzentration in eine nahezu reine Si-nusform um die ausgew�hlte Konzentrationdes station�ren Zustands ver�ndern kann. DieExperimente sind f�r unterschiedliche Kon-zentrationen des station�ren Zustands sowieverschiedene Amplituden der Einganskonzen-trationen realisiert worden. Die Konzentra-tions�nderungen �ber der Zeit wurden im Fre-quenzbereich analysiert. Die Koeffizienten derIsothermen wurden durch eine Kurvenanpas-sung der Ableitungen des jeweiligen Modellsan die experimentellen Daten erhalten.

[1] M. Petkovska, A. Seidel-Morgenstern, Chem.Eng. Comm. 2005, 192, 1300.

P8.02

Dichtebestimmung von �berkritischen Reak-tionsmedien mittels BiegeschwingerMgr.-Ing. G. Michalik1) (E-Mail:[email protected]), Dr.-Ing. A. Drochner1),Prof. Dr.-Ing. H. Vogel1)

1)Ernst-Berl-Institut f�r Technische und Makromolekulare Chemie, FB Chemie, TU Darmstadt,Petersenstraße 20, D-64287 Darmstadt.

10.1002/cite.200650225

Stoffe wie Wasser, Methanol, Aceton und Es-sigs�ure fallen unter die Kategorie „Green Sol-vents“. Sie bzw. ihre Mischungen spielen alsL�sungsmittel, Reaktionspartner oder Kataly-satoren eine wichtige Rolle, da sie wenig to-xisch, gut abbaubar und preiswert sind. Ihrephysikalisch-chemischen Eigenschaften k�n-nen in der N�he des kritischen Punktes durchDruck und Temperatur in weiten Bereichenver�ndert werden und damit den Erfordernis-sen der chemischen Reaktionen angepasstwerden. Zur Ermittlung der Kinetik von Mo-dellreaktionen in diesen Medien ist die Kennt-nis der Dichte bei hohen Temperaturen (bis400 �C) und gleichzeitig hohen Dr�cken (bis50 MPa) notwendig.Verschiedene homogene Fl�ssigkeitsgemi-

sche wurden in eine U-rohrf�rmige Messzelleeiner Biegeschwingerapparatur (Prototyp derFirma Anton Paar, Graz [1]) gef�rdert, mitDruck beaufschlagt und aufgeheizt. Das indu-zierte harmonische Schwingungssignal mitder Periodendauer P wurde ausgelesen undnach einer Gleichung q = A P2 + B von Kratky[2] (A, B – Eichfaktoren, die aus der Dichte vonReferenzsubstanzen wie Wasser und Luft er-mittelt sind) die absolute Dichte berechnet.Die Dichte w�ssriger Bin�rsysteme (Wasser

mit Methanol, Essigs�ure oder Aceton) in ver-schiedenen Verh�ltnissen wurde im Tempera-

turbereich von 25 bis 400 �C und bei Dr�ckenvon 1 bis 50 MPa bestimmt. Es zeigte sich,dass mittels dieser Messmethode die Dichteder obigen reinen Stoffe sowie ihrer w�ssrigenMischungen mit einer Genauigkeit von –1 %ermittelt werden k�nnen. Die erzielten Ergeb-nisse werden als Funktion von Druck undTemperatur dargestellt (r(p, T)-Diagramme) (s.Abb.).

[1] E. C. Ihmels, Dissertation, Universit�t Olden-burg 2001.

[2] O. Kratky, H. Leopold, H. Stabinger, Z. Angew.Phys. 1969, 27 (4), 273.

Abbildung. Ergebnisse als Funktion von Druck und Temperatur.

Fluidverfahrenstechnik 1297Chemie Ingenieur Technik 2006, 78, No. 9

� 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.cit-journal.de