Chemische und Thermische Verfahrenstechnik

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1 Institut für Chemische Verfahrenstechnik Institut für Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik Anwendungsfächer in Technischer Kybernetik: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik (Prof. Dr.-Ing. Ulrich Nieken) Universität Stuttgart Grundlagen der Thermischen Verfahrenstechnik (Hasse, 3V, 2Ü, SS) Destillation und Absorption (Hasse, 2V, 1Ü, SS) Chemische Reaktionstechnik I (Nieken, 3V, 1Ü, WS) Chemische Reaktionstechnik II (Nieken, 2V, WS) Physikalisch-Chemische Verfahren (Nieken, 3V, 1Ü, SS) Membrantechnik (ICVT, 2V, WS) Elektromembran-Anwendungen (ICVT, 2V, SS)

2 Institut für chemische Verfahrenstechnik REAKTIONSTECHNIK PHYSIKALISCH-CHEMISCHE VERFAHREN Membranentwicklung Autoabgaskatalyse - Dreiwegekatalysator - DeNox-Konzepte - Dieselrußentfernung Hochtemperatur- Synthesen Membranverfahren - Membranentwicklung - Elektrodialyse - Diffusionsdialyse Sorptionsverfahren - Druckwechseladsorption Brennstoffzellensysteme MODELLBILDUNG UND RECHNERSIMULATION KINETIK VON TRANSPORT- UND REAKTIONSPROZESSEN

3 Sorptionsverfahren: Druckwechseladsorption Materialien: Zeolithische Adsorbenzien (Molekularsiebe) Druckwechseladsorptions verfahren: zur Sauerstoffanreicherung (Dissertation Unger, Lengerer) zur Wasserstoffreinigung (Dissertation Stegmeier) zur Lufttrocknung (Dissertation Gorbach) Monolithische Adsorbezien: (Dissertation Hammer/IKP)

4 Einsatz strukturierter Materialien bei der Druckwechseladsorption Herstellung von Zeolith gefüllten Wabenkörpern IKT Mikroporöse Materialstruktur Periodischer Anlagenbetrieb ICVT

5 Pressure-Swing Adsorption (PSA)

6 PSA: 1-Bett Anlage Feed Produkt Tank Tank Abgas Aufgabenstellung: Gestaltung des Adsorbens Prozeßsimulation Optimierung des Betriebes Methoden zur Prozeßauslegung experimentelle Validierung

7 Motivation solution: monolith structure reduced pressure drop reduced operating costs thin channel walls fast kinetics catalyst mechanically fixed no dusting and attrition Zeolite-filled Polymer Compound D s

8 Herstellung hochporöser Adsorbentien macroscopic structure 4A-particle, SP wax+polymer wax no wax transport pore PA-framework

9 PSA - dynamics

10 Berechnung des zyklisch-stationären Zustandes CSS und Limitierungen des detaillierten Modells sehr träge Konvergenz bei stark zeitintensiver Integration Praktikable Definition CSS U F(U ) U 0 0 U F(U ) <ε Sinnvolle Grenze unklar Parameterstudien und Optimierung nicht zielführend Zyklusanzahl Lösungsansätze Konvergenzbeschleunigung durch Newton-basierte Iterationsschemata Modellreduktion

11 RPSA - reduced model Continuous Countercurrent Model [11] Suzuki (1985) [12] Farooq, Ruthven (1990) low concentrated pollutant short cycle time slow kinetics high capacity almost time invariant loading (frozen solid) transformation from periodic to fixed BCs holds slow CSS convergence direct calculation of CSS

12 3. PSA operation performance: single column RPSA for air drying d h = 1 mm p = 5 p pellets monoc p = 1 p d h pellets = 3 mm monoc

13 Institut für chemische Verfahrenstechnik Was können sie bei uns lernen? Entwicklung technischer Verfahren im Bereich Reaktions-, Adsorptions- und Membranverfahren - grundlagen- oder anwendungsorientiert Modellerstellung und Simulationstechniken mit - kommerziellen Programmen (gproms, Predici, Aspen, Matlab,..) - speziellen Programmcodes Beurteilungskompetenz für mathematische Modelle experimentelles Arbeiten an Prototypreaktoren Vergleich von Simulation und Experiment interdisziplinäres Arbeiten an Problemlösungen

14 Vorlesungen am ICVT Chemische Reaktionstechnik I Stöchiometrie, Thermodynamik, Kinetik; Idealisierte Reaktormodelle (Rührkessel-, Rohrreaktoren, Festbettreaktoren); Bilazierung und Auslegung von Reaktionsanlagen Chemische Reaktionstechnik II Modellierung von mehrphasigen Reaktionssystemen; Heterogen katalysierte Gasphasenreaktionen: Einzelkornmodellierung, Reaktormodellierung, neuartige Reaktorkonzepte; Gas-Flüssig-Reaktionen: Stofftransportmodellierung Physikalisch-Chemische Verfahren Thermodynamische Grundlagen von Mehrkomponentensystemen; Membrantrennverfahren: Umkehrosmose, Pervaporation, Gaspermeation; Gasphasenadsorption: Temperatur-, Druckwechseladsorption; Elektrochemische Verfahren: Ionenaustausch, Elektrolyse, Elektrodialyse, Brennstoffzellen Membrantechnik Grundlagen zu Membrantechnik; Transport, Modellierung, Polymermembranen; Brennstoffzellen, Gastrennung, Perverporation, Elektromembranverfahren.