Chemische Verfahrenstechnik

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

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3 Chemische Verfahrenstechnik Technische Kybernetik Mathematisch orientiert Grundlagen des Ingenieurs Fahrzeug und Motorentechnik Verfahrenstechnik Automatisierungstechnik Technologiemanagement naturwissenschaftlich orientiert wirtschaftlich orientiert 3

4 Chemische Verfahrenstechnik Historische Entwicklung Arbeitsfelder Ausbildungsinhalte Vorlesungsangebot 4

5 Entwicklung der Chemische Verfahrenstechnik Stoffumwandlung durch chemische Reaktion Bindeglied zwischen Verfahrenstechnik und Chemie Scaleup von Labor zu Produktionsmaßstab Foto:BASF 5

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

7 Rührkesselreaktor N j p c j V R T N j Aufgabe des Ingenieurs: Apparatebau Vermischung Wärmeabfuhr

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

9 Beispiel Reaktionstechnik DreiWege Katalysator M.Sc. Jeremias Bickel

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

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

12 Extending the operating window: Basic idea < 1 oxidant deficiency / reductant excess > 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

13 Transient TWC behavior without oxygen storage

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

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

16 Simulation results Catalyst A Catalyst E lean rich

17 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

18 Institut für Chemische Verfahrenstechnik Reaktionstechnik Prof. Dr.Ing. Ulrich Nieken Strukturbildung und Transport in porösen Medien 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

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

20 PhysikalischChemische Verfahren Beispiel: Solare Kühlung mittels Adsorptionsverfahren Q. p Produktion Zyklische Betriebsweise Regeneration p Q. Prozesssimulation Detaillierte Beschreibung des Adsorptionsvorgangs

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

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

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

24 Flüssigkeitsbatterie M.Sc. Jiabing Xia

25 Funktionsprinzip NaOH Storage HCl Storage NaOH HCl HCl NaOH Electricity EDBP (Charging) REDBP (Discharging) Electricity NaCl NaCl Salt Water

26 AEM BP CEM NaCl (a) (b) (c) (d) Membrane

27 Aufbau eines Stacks

28 Working Cell 5 x 5 cm

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

30 Institut für Chemische Verfahrenstechnik Reaktionstechnik Prof. Dr.Ing. Ulrich Nieken Strukturbildung und Transport in porösen Medien 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

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

32 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 Energiespeicher in Batterien A. Friedrich 3 Lithiumbatterien: Theorie und Praxis A. Friedrich 3 Prozessführung und Production IT in der Verfahrenstechnik O. Sawodny, J. Birk 3 Elektrochemische Verfahren Regelungstechnik

33 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

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

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

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

37 Institut für Chemische Verfahrenstechnik