Chemische Verfahrenstechnik

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1 Chemische Verfahrenstechnik Prof. Dr.Ing. U. Nieken Institut für Chemische Verfahrenstechnik

2 Chemische Verfahrenstechnik Mathematisch orientiert Technische Kybernetik Grundlagen des Ingenieurs Fahrzeug und Motorentechnik Verfahrenstechnik Automatisierungstechnik Technologiemanagement naturwissenschaftlich orientiert wirtschaftlich orientiert 2

3 Chemische Verfahrenstechnik Historische Entwicklung Arbeitsfelder Ausbildungsinhalte Vorlesungsangebot 3

4 Entwicklung der Chemische Verfahrenstechnik Stoffumwandlung durch chemische Reaktion Bindeglied zwischen Verfahrenstechnik und Chemie Scaleup von Labor zu Produktionsmaßstab Foto:BASF 4

5 Chemische Reaktionstechnik Chemie: Ausarbeitung Synthese abgeschlossen Verfahrenstechnik: Produktion größerer Mengen

6 Rührkesselreaktor N j p c j VR T N j Aufgabe des Ingenieurs: Apparatebau Vermischung Wärmeabfuhr

7 Arbeitsfelder Chemische Energiespeicher Chemische Industrie Lebensmitteltechnik Pharma Industrie Pharmakologie: Wirkstoffabbau im Körper Chemische Reaktionen (Bio) Polymere neue Werkstoffe Biotechnologie Brennstoffzellen KFZAbgasreinigung Halbleiterherstellung

8 Beispiel Reaktionstechnik DreiWege Katalysator M.Sc. Jeremias Bickel (Doktorand)

9 TWC functionality λcontrol onboard diagnosis air mass measurement fuel injection λ engineout (EO) λ tailpipe (TP) air TWC N 2 ( 71%) CO 2 ( 14%) H 2 O ( 13%) HC O 2 CO 2 H 2 O CO 2 CO O 2 ( 1%) ( 1%) CO O 2 CO 2 NO CO CO 2 N 2 N 2 H 2 O NO x ( 0.1%) HC ( 0.1%)

10 Steadystate conversion λ < 1 oxidant deficiency / reductant excess λ > 1 reductant deficiency / oxidant excess narrow operating window

11 Extending the operating window: Basic idea λ < 1 oxidant deficiency / reductant excess λ > 1 reductant deficiency / oxidant excess release oxygen store oxygen Store and release oxygen to compensate for an imbalance of oxidants and reductants during operation at λ 1

12 Transient TWC behavior without oxygen storage

13 Transient TWC behavior with perfect oxygen storage: Infinite capacity, infinite storage/release rate

14 How to examine oxygen storage dynamics: Experimental setup graphite gaskets static mixer catalyst slice inlet gas withdrawal thermocouple

15 Simulation results lean rich Catalyst A Catalyst E

16 Aufgabe des Ingenieurs: Verständnis für Zusammenwirken von chemischen Umsetzungen (CO, NOx, HC) und Stoffspeicherung (Sauerstoff) Vermessung der Geschwindigkeit von Reaktion und Speicherung Entwicklung eines einfachen mathematischen Modells Datum Referent

17 Institut für Chemische Verfahrenstechnik Reaktionstechnik Prof. Dr.Ing. Ulrich Nieken PhysikalischChemische Verfahren Prof. Dr.Ing. Ulrich Nieken Apparate und Anlagentechnik Prof. Dr.Ing. habil. Clemens Merten Polymer u. Membrantechnik Dr. Jochen Kerres Partikelbasierte Funktionsmaterialien PD Dr.Ing. habil. Martin Seipenbusch H. Dubbe, Institutsvorstellung ICVT 17

18 Beispiel PhysikalischChemische Verfahren Solare Kühlung M.Sc. Marc Scherle (Doktorand)

19 PhysikalischChemische Verfahren Beispiel: Solare Kühlung mittels Adsorptionsverfahren Q. p Produktion Zyklische Betriebsweise Regeneration p Q. Prozesssimulation Detaillierte Beschreibung des Adsorptionsvorgangs H. Dubbe, Institutsvorstellung ICVT 19

20 Adsorptionskältemodul mit monolithischer Aktivkohle Adsorptionskältemodul Energie und Stofftransport Wärmeträgerfluid tt AAAA MAC MeOH (g) Desorption Adsorption Edelstahlflachrohr Monolithische Aktivkohle Monolithische AK: Aktivkohlepulver mit keramischem Binder extrudiert Beschreibung des Stoff und Energietransports mithilfe von Massen und Energiebilanzen Herausforderung: Optimierung der Aktivkohle für die Adsorptionskälteanwendung

21 Integriertes Adsorptionskältemodul R. Burk et.al., Modul für eine Adsorptionswärmepumpe, DE A1

22 Aufgabe des Ingenieurs: Quantifizierung des Stoff und Wärmetransportes Auswahl geeigneter Materialien Design der Wärmepumpe dynamische Simulation und Optimierung der Wärmepumpe Datum Referent

23 Beispiel PhysikalischChemische Verfahren Flüssigkeitsbatterie M.Sc. Jiabing Xia (Doktorand)

24 Challenges Plan Funktionsprinzip NaOH Storage HCl Storage NaOH HCl HCl NaOH Electricity EDBP (Charging) REDBP (Discharging) Electricity NaCl NaCl Salt Water REDBP Intro 24

25 REDBP Intro 25 AEM BP CEM NaCl (a) (b) (c) (d) Challenges Plan Membrane

26 Challenges Plan Aufbau eines Stacks REDBP Intro 26

27 Working Cell 5 x 5 cm

28 Aufgabe des Ingenieurs: Grundlagen Elektrochemie Aufbau und Betrieb Prototyp Optimierung des Aufbaus Auswahl und Bewertung der Membran Simulation der Leistungsverluste Datum Referent

29 Institut für Chemische Verfahrenstechnik Reaktionstechnik Prof. Dr.Ing. Ulrich Nieken PhysikalischChemische Verfahren Prof. Dr.Ing. Ulrich Nieken Apparate und Anlagentechnik Prof. Dr.Ing. habil. Clemens Merten Polymer u. Membrantechnik Dr. Jochen Kerres Partikelbasierte Funktionsmaterialien PD Dr.Ing. habil. Martin Seipenbusch H. Dubbe, Institutsvorstellung ICVT 29

30 Grundlagen Thermodynamik von Mischungen Strömungsmechanik Chemische Reaktionstechnik I Numerik I Modellierung verfahrenstechnischer Prozesse Numerik II Spezialisierung: Chemische Verfahrenstechnik

31 Vorlesungsangebot zum Spezialisierungsfach Chemische Verfahrenstechnik Chemische Reaktionstechnik II U. Nieken/U. Tuttlies 6 Reaktionstechnik Chemische Reaktionstechnik III Industrielle Reaktionstechnik G. Kolios u.a. 3 Vertiefte Grundlagen der technischen Verbrennung A. Kronenburg 3 Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen U. Tuttlies 3 Thermodynamik NichtgleichgewichtsThermodynamik: Diffusion und Stofftransport J. Groß 3 PolymerReaktionstechnik Teil 1: Mechanismen und Praktikum Teil 2: Berechnung und Simulation Polymere J. Kerres K.D. Hungenberg 6 (3) (3) Elektrochemische Verfahrenstechnik J. Kerres 6 Elektrochemische Verfahren Elektrochemische Energiespeicher in Batterien A. Friedrich 3 Lithiumbatterien: Theorie und Praxis A. Friedrich 3 Regelungstechnik Prozessführung und Production IT in der Verfahrenstechnik O. Sawodny, J. Birk 3

32 Chemische Reaktionstechnik II Grundlagen mehrphasiger Systeme, Versuche, Simulation Chemische Reaktionstechnik III Vertieftes Verständnis, Praxis Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen Übersicht, Praxis Reaktionstechnik Vertiefte Grundlagen der technischen Verbrennung, Theorie, Grundlagen

33 Polymerreaktionstechnik I Grundlagen, Basiswissen, Praktikum Polymerreaktionstechnik II Berechnungsmethoden, Modellierung und Simulation Polymere

34 Elektrochemische Verfahrenstechnik Übersicht, Theorie Elektrochemie Elektrochemische Energiespeicherung in Batterien Spezialvorlesung zu aktuellem Thema Lithiumbatterien: Theorie und Praxis Spezialvorlesung zu aktuellem Thema Elektrochemische Verfahren

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 35

36 Institut für Chemische Verfahrenstechnik