Spezialisierung Thermische Verfahrenstechnik

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1 Spezialisierung Thermische Verfahrenstechnik Joachim Groß Institut für (ITT)

2 Vorlesungs - Portfolio am ITT Vorlesung (LP) I (6) II (6) Thermodynamik der Gemische I (6) Thermische Verfahrenstechnik I (6) B.Sc. Thermische Verfahrenstechnik II (6) Nichtgleichgewichts-Thermodynamik: Diffusion und Stofftransport (3) M.Sc. Molekulare Thermodynamik (3) Molekularsimulation (6)

3 Thermo I / II 1. und 2. Hauptsatz, Reinstoffverhalten und einfache Mischungen, Kreisprozesse, Wirkungsgrade Grundlagen im Bachelorstudium Vertiefung im Masterstudium Thermodynamik der Gemische Phasengleichgewichte in Mischungen, treibende Kräfte für Stofftransport, chemisches Reaktionsgleichgewicht Thermische Verfahrenstechnik Methoden zur Trennung von Mischungen Thermische Verfahrenstechnik Anwendung der Grundlagen in TVT I und TVT II Methoden zur Trennung von Mischungen Molekulare Thermodynamik Beschreibt Stoffeigenschaften und Trennverfahren auf molekularer Ebene Nicht Gleichgewichtsthermodynamik Transportgleichungen sowie energetische Bewertung von Prozessen (Quantifizieren von Nachhaltigkeit )

4 ... für Studierende Maschinenbau Empfehlung Vorlesung (LP) I (6) II (6) Thermische Verfahrenstechnik I (6) Thermodynamik der Gemische I (6) B.Sc. Ergänzungsmodul Kernfächer Thermische Verfahrenstechnik II (6) Praktikum Angewandte Thermodynamik (3) M.Sc. Molekularsimulation (6) Molekulare Thermodynamik (3) Ergänzungsfächer Nichtgleichgewichts-Thermodynamik: Diffusion und Stofftransport (3)

5 Empfehlung zur Fächerwahl (MACH) Variante 1 ( Angewandte Thermo ) Thermodynamik der Gemische Thermische Verfahrenstechnik I Thermische Verfahrenstechnik II Molekularsimulation / Molekulare Thermodynamik Þ führt zu einer verfahrenstechnischen Ausrichtung Þ am besten zu ergänzen um energietechnische oder weitere verfahrentechnische Vertiefungen Variante 2 ( Thermo light ) Thermodynamik der Gemische Molekularsimulation / Molekulare Thermodynamik Þ ergänzt eine materialwissenschaftliche Ausrichtung im Maschinenbau um molekulare Methoden

6 Thermo I / II 1. und 2. Hauptsatz, Reinstoffverhalten und einfache Mischungen, Kreisprozesse, Wirkungsgrade Grundlagen im Bachelorstudium Vertiefung im Masterstudium Thermodynamik der Gemische Phasengleichgewichte in Mischungen, treibende Kräfte für Stofftransport, chemisches Reaktionsgleichgewicht Thermische Verfahrenstechnik Methoden zur Trennung von Mischungen Thermische Verfahrenstechnik Anwendung der Grundlagen in TVT I und TVT II Alle Methoden zur Trennung von Mischungen Molekulare Thermodynamik Beschreibt Stoffeigenschaften und Trennverfahren auf molekularer Ebene Nicht Gleichgewichtsthermodynamik Transportgleichungen sowie energetische Bewertung von Prozessen (Quantifizieren von Nachhaltigkeit )

7 Was ist Thermische Verfahrenstechnik? Membran Mechanismus (1) Unterschiedl. Löslichkeit zweier Stoffe in Membran (2) Unterschiedl. Diffusion durch Membran Filtration Mechanismus Flüssigkeit strömt durch eine Filterzone, während eine zweite (feste) Phase zurückgehalten wird Triebkraft Chemisches Potential Triebkraft Newtonsche Kräfte Þ Thermische Verfahrenstechnik Þ Mechanische Grundoperation

8 TVT I Rauchgasreinigung in Kraftwerken WWF-Rangliste: Vier der fünf dreckigsten Kohlekraftwerke Europas stehen in Deutschland (22. Juli 2014)

9 TVT I - Methoden zur Trennung von Mischungen Anwendung: - Chemische Industrie, Biotechnologie, Pharmaindustrie,... Destillation Praktikumsversuch - Abwasseraufbereitung, Recycling von Prozessströmen - Produktaufarbeitung Absorption Rauchgasentschwefelung Praktikumsversuch Kristallisation und Chromatographie

10 Thermische Verfahrenstechnik II behandelt die Wahl von Stoffdatenmodellen und die Berechnung und Dimensionierung von Trennapparaten A,B A Apparat? Dimension? B Kopfreinheiten?, Kolonnendrücke die Parameteroptimierung von Trennapparaten und prozessen A,B (azeotrop) die topologische Optimierung (=optimale Prozessverschaltung) u.a. auch die apparative und energetische Integration von Trennprozessen A optimale Verschaltung? B

11 Thermische Verfahrenstechnik II behandelt die genannten 3 Aspekte (Dimensionierung von Apparaten, Parameteroptimierung und topologische Optimierung) mit Hilfe von Prozesssimulationen (AspenPlus) anhand praktischer Aufgabenstellungen, in 4er-Gruppen lernen am praktischen Problem / viel Diskussion / Teamarbeit jede Gruppe stellt eine Ausarbeitung in Form einer Präsentation im Forum vor Behandelte Trennverfahren Destillation Adsorption Technische Chromatographie Membrantrennverfahren

12 Molekulare Thermodynamik / Molekularsimulation

13 Molekulare Thermodynamik / Molekularsimulation pair potential u ij(rij)/e ij 2.5 Lennard-Jones Potential radial distance r ij /s ij Aufgabe der Molekularen Thermodynamik: Berechnung von makroskopischen und mikroskopischen (Material)eigenschaften aus intermolekularen Wechselwirkungen

14 Molekulare Thermodynamik Motivation von (Verfahrens)Ingenieuren behandelte Systeme sind zunehmend komplex: Makromolekulare Systeme, biologische Vorgänge, Mizellen, Elektrolytlösungen (ph- Abhängigkeiten) wobei weniger experimentelle Daten Þ prädiktive Modelle erforderlich Û molekulare Methoden erforderlich Lernziele 1) Grundlagen der Statistischen Mechanik 2) Berechn. makroskopischer Eigenschaften aus molek. Größen 3) Entwicklung molekularer Modelle

15 PC-SAFT Equation of state Perturbed-Chain Statistical Associating Fluid Theory EOS (PC-SAFT) Wertheim s perturbation theory for anisotropic, directional interactions Þ approach for associating interactions (H-bonding) in the limit of infinite association strength Þ chain formation (Chapman, 1988) (Gross, Sadowski 2001) (Chapman, 1988) (Gross, Vrabec, Kleiner, ) F = F id + F hs + F chain + F disp + F assoc + F multipole

16 Spezifische Wärmekapazität id. Masse (MM) des optimie Institut für Molekulare Thermodynamik - cpig und MM: großer Einfluss auf die Gesamtlei Keine vorhandene Daten für das iterierte Molek Lösungsmitteloptimierung Abschätzung mittels der QSPR Methode und d QSPR direct Deskriptoren analysis, problemfür cpig: molecular structure physically-based equation of state QSPR Desk CoMT-CAMD Anwendung: process (e.g. absorption Absorption zur CO physikalische /desorption) Referenzfließbild und Problemformulierung: design, inverse problem

17 Molekulare Thermodynamik / Molekularsimulation neue molekulare Methoden erlauben die Vorhersage von Materialeigenschaften Grenzflächeneigenschaften, Struktureigenschaften Grenzflächenspannung Viskosität Sauer, Gross, IECR, 2017 Lötgering-Lin, Gross, IECR, 2015

18 Poren- Adsorption / Desorption Hysterese DFT: desorption path DFT: adsorption path molecular simulation

19 Molekularsimulation Nanokristalle poten/al$of$mean$force$ 50$ 0$ 1.5$ 2$ 2.5$ 3$ 3.5$ 4$ 4.5$ 5$!50$!100$!150$!200$ distance$z$/$nm$ Friedrich et al., Nano Lett 2009 Kiely et al., Nature 1998 Lin et al., Materials Lett. 2001

20 Herausforderung Skalenübergreifende Modellierung

21 Nichtgleichgewichts-Thermodynamik: Diffusion und Stofftransport führt zur Beschreibung der Entropieproduktion Ein Prozess ohne Entropieproduktion hinterlasst keinen Fußabdruck in der Umwelt Entropieproduktion ist ein Maß für die (Nicht)Nachhaltigkeit führt zur thermodynamisch konsistenten Beschreibung von Transportprozessen

22 Institut für Fragen?