Technologien der Wärme- und Stoffübertragung

Bei Kletterfilmverdampfern durchströmt die Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe die Verdampferrohre von unten nach oben und es verdampft einen Teil der aufgegeben Lösung. Dabei stellt sich eine Kreisringströmung ein, sobald die erzeugte Brüdenmenge ausreichend groß ist. Im Inneren des Rohres strömt der Dampf in Richtung Brüdenabscheider und treibt den ringförmigen dünnen Film an der Rohrwand entgegen der Schwerkraft nach oben. Die dabei entstehenden hohen Dampfgeschwindigkeiten machen Kletterfilmverdampfer anfällig für Tropfenmitrisse im Brüdenraum, weswegen geeignete Prallbleche/Schutzvorrichtungen vorzusehen sind, um die Destillatqualität zu gewährleisten. Gleichzeitig sind hohe Dampfraten nötig, um den Flüssigkeitsfilm ansteigen zu lassen. Vorteile von Kletterfilmverdampfer sind der einmalige Durchlauf, der simple apparative Aufbau und die kurzen Verweilzeiten.

Am Institut befindet sich ein Kletterfilmverdampfer aus Edelstahl im Pilotmaßstab. Das Verdampferrohr besitzt eine Länge von 2500 mm, einen Innendurchmesser von 30 und eine Wandstärke von 2 mm. Vorlage- und Konzentratbehälter sind im Doppelmantel ausgeführt. Außerdem sind die Verbindungsleitungen begleitbeheizt. Dadurch sind auch Eindampfversuche von Flüssigkeiten nahe der Löslichkeitskurve möglich. Die Gesamtanlage eignet sich für den Betrieb im Vakuum. Die Heizseite wird durch einen Siedethermostaten mit Dampf versorgt. Hier kann durch einen Medienwechsel ein geeignetes Heizfluid angepasst auf den benötigten Temperaturbereich ausgewählt werden. Neben der thermodynamischen Auswertung von Versuchsreihen durch die Messdatenaufzeichnung der Temperaturen, Waagen und Drucksensoren ist es möglich durch eine installierte Hochgeschwindigkeitskamera am Brüdeneintritt in den Abscheider Tropfenentstehungen zu beobachten und zu bewerten.

Förderung: AIF/ZIM
Kennzeichen: KF2614405ST4
Laufzeit: 01.03.2015 - 28.02.2017

Im Rahmen dieses Projektes werden verschiedene Bildanalysetechniken in einem neuen Messverfahren kombiniert um die Eigenschaften von Fallfilmen zu untersuchen. Im Fokus steht die Eindampfung hochviskoser und partikelbeladener Flüssigkeiten. Durch die Verknüpfung von Verdampfungsexperimenten mit wärmetechnischer Analyse mit neuen Methoden zur Filmanalyse wird eine Optimierung der Auslegungsverfahren für Fallfilmverdampfer für problematische Stoffsysteme ermöglicht. So kann durch eine Optimierung des Umlaufstromes der Flüssigkeit der Wärmeübergang verbessert und somit Apparatekosten gesenkt und durch eine Verringerung der Pumpleistung elektrische Energie eingespart werden.

Da bei vielen chemischen Reaktionen nicht nur das gewünschte Produkt entsteht, ist die Stofftrennung in fast allen Prozessen der chemischen Industrie von höchster Wichtigkeit. Die Rektifikation stellt hierbei das industriell wichtigste Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen dar.
Die Trennleistung einer Rektifikationskolonne und die Fluiddynamik im Apparat werden stark von den Eigenschaften der zu trennenden Stoffe bestimmt. Für hochviskose Flüssigkeiten gibt es aber wenig öffentlich zugängliche Daten und bisher keine standardisierten Tests um den Einfluss der Viskosität zu überprüfen. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wird daher der Einfluss der Viskosität mit geeigneten Stoffgemischen und Anlagen quantifiziert und in Modellen abgebildet. Hierzu wird neben Experimenten mit Rektifikationskolonnen im Technikum auch mit optischen Methoden untersucht wie sich die Fluiddynamik auf Packungen in Abhängigkeit verschiedener Variablen verändert.
Ziel ist es Apparate in Zukunft besser und genauer auslegen zu können.

Naturumlaufverdampfer sind aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit und einfachen Bauweise einer der am häufigsten verwendeten Verdampfertypen in der stoffwandelnden Industrie. Der charakteristische Selbstumlauf entsteht aufgrund von Dichteunterschieden zwischen einphasigem Zulauf und zweiphasigem Flüssigkeits-/Dampfgemisch im Verdampfer- und Brüdenrohr. Durch die Kopplung von Wärmeübertragung und Fluiddynamik wird aber der Betriebsbereich eingeschränkt. Neue Apparatetypen in Thermoblechbauweise weisen aufgrund ihrer Oberflächenstruktur gute Wärmeübertragungseigenschaften bei geringen Druckverlusten auf.
Am ICTV wird an einem Verdampfer im Technikumsmaßstab untersucht wie weit sich der Betriebsbereich erweitern lässt. Weiterhin wird die Wärmeübertragung gemessen und modelliert. Dadurch wird die Auslegung und somit der industrielle Einsatz dieses Apparatetyps mit seinen niedrigen spezifischen Investitionen ermöglicht.

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Projektträger: Forschungszentrum Jülich GmbH
Förderkennzeichen: 03ET1395I
Laufzeit: 01.11.2016 - 31.10.2019

Das Verbundprojekt mit neun Industriepartnern und vier Forschungsinstituten zielt auf die Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz fluider Trennprozesse durch Vermeidung des Tropfenmitrisses in Gas/Dampf-flüssig-Gegenstromprozessen. Bei den betrachteten Trennprozessen, wie Rektifikation, Ab-/Desorption oder Verdampfung, handelt es sich um zentrale Grundoperationen in allen Sparten der Prozessindustrie.

Durch unzureichende Phasentrennung und/oder Tropfenmitriss wird die Effizienz thermischer oder fluider Trennverfahren wesentlich beeinflusst. Entscheidend sind in den betriebenen Apparaten die Schnittstellen bzw. Übergabepunkte zwischen einzelnen Funktionseinheiten, da an diesen die nicht bestimmungsgemäße oder defizitäre Performance der vorgeschalteten Stufe die nachgeschaltete Stufe beeinträchtigen, mit den Folgen Leistungsminderung, Mehraufwand oder Schädigung. In TERESA werden diese Schnittstellen rund um eine allgemeine Trennkolonne betrachtet. Die Schwerpunkte der Untersuchungen liegen auf a) der Feedleitung bis zum Eintritt in die Kolonne, b) dem Zulaufbereich innerhalb der Kolonne, c) dem Kolonnenkopf und d) dem Sumpfbereich der Kolonne oder dem Brüdenabscheider nach einem Zwangsumlaufentspannungsverdampfer (ZUEV), siehe Abb. 1.

Arbeitspaket 4.3 „Laborversuche zum Kolonnensumpf/Verdampfer“
Am ICTV wird die Tropfenentstehung und -abscheidung nach einem ZUEV experimentell und theoretisch untersucht. Ziel ist es, stoffliche, apparative und betriebliche Parameter zu identifizieren, die eine starke Tropfenbildung verursachen, sowie Maßnahmen zur Reduzierung und Handhabung dieser aufzuzeigen. Die Erkenntnisse werden in dimensionslosen Kennzahlen dargestellt und fließen in die Erstellung von Strömungskarten ein. Diese ermöglichen Abschätzungen bzgl. der Betriebsbedingungen, bei denen für eine gegebene Abscheiderbauform Tropfenmitriss zu erwarten ist oder nicht.

In der Arbeitsgruppe Nachhaltige Produktionstechnologien werden in einem weiteren Teilprojekt (TP 2.5) die entwickelten Technologien ökologisch und ökonomisch bewertet.

Teilprojekt 1 „Kommunikation und Dissemination“
Das ICTV übernimmt in dem großen Verbundprojekt die technische und wissenschaftliche Kommunikation.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Katharina Jasch

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Projektträger: Jülich
Förderkennzeichen: 03ET1471A
Laufzeit: 01.01.2017 – 31.12.2019

In diesem Verbundprojekt liegt das Hauptaugenmerk auf der Umstellung von batchweisen Herstellungsverfahren auf kontinuierlich betriebene Prozessführungen unter zu Hilfenahme von milli- und mikroverfahrenstechnischen Komponenten, sowie einer prozessintegrierten In-Line-Analytik. Die immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen haben zur Folge, dass das auf den Markt bringen in kleineren Zeitfenstern erfolgen muss. Um dieses Produktionskonzept umsetzen zu können, müssen bereits im Laborbetrieb skalierbare Ergebnisse erzielt werden, die einen Technikumsmaßstab nicht mehr nötig machen. Dies wird begünstigt durch die Zielkapazitäten der betrachteten Produkte im Bereich zwischen 100 bis 1000 t/a. Durch eine Modularisierung der Produktionsanlagen, der Möglichkeit der Prozesssimulation und -analytik, sowie fortschreitender Echtzeit-Analytik mit zeitnaher Ergebnisdarstellung ist es möglich unter Einhaltung der geforderten Qualitätsanforderungen an das Produkt und an den Prozess skalierbare Kenngrößen zu identifizieren.

Die Teilaufgabe 7.5 beschäftigt sich mit der kontinuierlichen Eindampfung und Analyse von Gemischen und Lösungen mit Hilfe einer Reihenschaltung bestehend aus einem Dünnschicht- und Kurzwegverdampfer. Beide Verdampfertypen eignen sich hervorragend zur Aufbereitung von temperaturempfindlichen und viskosen Medien. Auch feststoffbeladene Produkte können bis in den Trockenzustand eingedampft werden. Allerdings erschweren die verschiedenen Einflussfaktoren (apparativ: Material, Wischertyp, Beheizungsart,…; betrieblich: Prozessduck, Wischerdrehzahl, Aufgabemenge, Bedingungen der Heizseite,…; stofflich: Viskosität, Dampfdruck, Phasengleichgewichte,…) ein Design dieser Apparate beziehungsweise eine Übertragbarkeit von Knowhow auf neue Verfahrensaufgaben.

Durch das Anlagensetup besteht die Möglichkeit Störkomponenten von einer mittelsiedenden Wertkomponente mit zwei thermischen Trennschnitten gezielt abzutrennen. Dabei sollen Untersuchungen zeigen welche Reinheiten und Ausbeuten bei Variation der betrieblichen Parameter (Prozessdruck, Wischerdrehzahl, Feedrate, Heizmanteltemperatur) erzielt und mit Hilfe der Inline-Analytik (Raman) überwacht werden können. Die Anlage besteht aus Borosilikatglas und verschiedene Wischertypen sind einsetzbar. Ein Vergleich mit einem identischen Anlagensetup, allerdings aus Edelstahl und leicht vergrößerter Verdampferfläche, soll Aufschluss darüber geben, welche Faktoren bei Scale-Up von Dünnschicht- und Kurzwegverdampfern zu beachten sind.

Ansprechpartner: Stefan Jahnke

Förderung: DFG/AiF –Cluster (CV) 6
Projektträger: Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V., Bonn
Förderkennzeichen: DFG 40 806 2554
Laufzeit: 2018 – 2021

In der industriellen Produktion von Lebensmitteln und Getränken sowie bei der Abgasaufbereitung und Herstellung von Feinchemikalien kommt es häufig zu einer unerwünschten Schaumbildung, die zu wesentlichen Beeinträchtigungen oder gar zum Erliegen der Produktion führen kann.

Das Entstehen von störendem Schaum verursacht z.B. in Rektifikationskolonnen hohe Druckverluste, verringerte Durchsätze und eine reduzierte Trennleistung durch Rückvermischung. Die bisherige Behandlung des Problems erfolgt in der Praxis derzeit mittels hoher Sicherheitszuschläge, aufwändiger Trial-and-error-Versuche in Pilotanlagen oder durch den Einsatz chemischer Entschäumungsmittel.

Das Ziel des DFG/AiF-Cluster-vorhabens ist es, einen multidisziplinären Ansatz physikalisch basierter Maßnahmen zu entwickeln, die zur Prävention, Inhibierung und Zerstörung von Schäumen eingesetzt werden können. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden am ICTV zwei unterschiedliche Teilprojekte bearbeitet.

Teilprojekt 4 „Prozess und Apparatedesign bei der Verdampfung schaumfähiger Stoffsysteme“
In diesem Teilprojekt werden apparative, betriebliche und additive Maßnahmen zur Vermeidung oder zur Beherrschung der Schaumbildung in einem Miniplant-Naturumlaufverdampfer erprobt. Ein Schwerpunkt liegt hierbei auf der Ableitung einer Schaummanagementstrategie für Schäume unter Siedebedingungen.

Ansprechpartner: Laura Strodtmann

Teilprojekt 7 „Praxisrelevante Optimierungs- und Bekämpfungsstrategien prozessbeeinflussender Schaumdynamiken in Destillationsanlagen der chemischen und Lebensmittelindustrie“
Ziel von Teilprojekt 7 ist die Untersuchung von schauminhibierenden und zerstörenden Wirkmechanismen in destillativen Systemen wie chemischen Desorptionsanlagen. Dazu wird ein Scale-Up der Mini-Plant Anlage aus TP4 zu einer Pilot Anlage durchgeführt. Zusätzlich zu einem Naturumlaufverdampfer wird dabei eine Glaskolonne zur Stofftrennung verwendet. Somit besteht die Möglichkeit, die Schaumdynamik nicht nur im Verdampfersystem, sondern auch in den Packungselementen zu analysieren.

Ansprechpartner: Rolf Staud

Für die Verdampfung und Destillation problematischer Stoffsysteme sind Dünnschichtverdampfer von großer Bedeutung. Dabei geht es zum einen um die Auftrennung thermisch sensibler Medien, wie sie z. B. in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie vorkommen. Zum anderen geht es um die Verarbeitung von Rückstandsströmen, welche vor allem in Recyclingprozessen wie z. B. der Lösemittelrückgewinnung oder Altölaufbereitung auftreten. Letztere können durch hohe Viskositäten, Foulingneigung, Feststoffbeladung oder Schäumen gekennzeichnet sein, was eine Herausforderung für die Verdampfung bedeutet. Vor allem wenn Fallfilmverdampfer nicht mehr eingesetzt werden können, sind Dünnschichtverdampfer hier oft unumgänglich. Durch eine Vielzahl von einstellbaren Betriebs- und Apparateparametern können sie optimal an die jeweiligen Einsatzfälle und Produkteigenschaften angepasst werden. Diese Flexibilität bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass die Wechselwirkungen aller Einflussparameter (stofflich, apparativ und betrieblich) bisher nicht eindeutig beschrieben werden können. Es gibt keine allgemeingültigen und abgesicherten Berechnungsgrundlagen für die Auslegung und das Scale-up von Dünnschichtverdampfern.

Diese Untersuchungen zur Dünnschichtverdampfung am ICTV zielen auf die thermische und fluiddynamische Charakterisierung von Dünnschichtverdampfern ab, aus denen Dimensionierungsgleichungen abgeleitet werden sollen. Hierfür steht ein dampfbeheizter Dünnschichtverdampfer aus Edelstahl zur Verfügung. Durch konstruktive Maßnahmen ist zudem der Einsatz als Kurzwegverdampfer oder gar Reaktor möglich.

Ansprechpartner: Stefan Jahnke