Vorlesungen

Die Vorlesung behandelt die verfahrenstechnischen Grundoperationen Absorption, Chromatographie, Trocknung und Membranverfahren. Für ein vertieftes Verständnis der ablaufenden Prozesse werden die Stofftransportmodelle gemäß 1. und 2. Fickschen Gesetz sowie nach Stefan-Maxwell vorgestellt und diskutiert. Abschließend wird die Kombination von Reaktion und Stofftrennung als hybride bzw. reaktive Trennverfahren behandelt. Insbesondere werden die reaktive Absorption, reaktive Adsorption sowie die reaktive Extraktion vorgestellt. In allen Fällen werden die Vorgehensweise und anzuwendenden Methoden beim Design und Betrieb neuer Verfahren und bei der Umsetzung in ein entsprechendes Apparate- und Anlagendesign wie auch die Bewertung bestehender Verfahren und Apparate behandelt.

In der Vorlesung werden die wesentlichen Aspekte zur Realisierung von Reaktionsschritten in chemischen Produktionsverfahren sowie zur Integration von Reaktion und Stofftrennung vermittelt:

• Grundlagen chemischer Reaktionen

• Modellierung chemischer Reaktionen

• Strömung und Mischen in idealen Systemen

• Makromischverhalten realer Systeme

• Überlagerung von Reaktion und Stofftransport

• Design chemischer Reaktoren

Based on the theory for thermal separation processes as presented in Thermische Verfahrenstechnik I the typical workflow for process design and optimization is demonstrated. Commercial software products are employed for modelling and simulation of the following tasks:

• Physical properties and phase equilibria: Data retrieval, regression of experimental data, parameter estimation
• Two phase flash: Single stage separations, integral vs. differential operation mode
• Rigorous modelling of a rectification column: Binary mixture, multicomponent mixture, design specifications
• Flow sheet simulation for multistage separation: Feed forward, recycles
• Equipment design: Selection and sizing for distillation columns, heat exchangers, reboilers, condensers
• Costing, process optimization

The lecture is presented in English language.

Neben den einphasigen Strömungen sind in der Verfahrenstechnik die zwei- und dreiphasigen Strömungen von großer Bedeutung. Diese treten nicht nur beim Transport der Stoffe zwischen den Reaktoren und den einzelnen Apparaten der thermischen Trenntechnik auf, sondern bestimmen auch die Konstruktion der Apparate selbst, z.B. Wirbelschicht- und Rührreaktoren. Weitere Anwendungsgebiete der Mehrphasenströmungen sind die pneumatische und hydraulische Förderung, sowie die damit verbundenen Aufgabe- und Abscheidevorrichtungen. z.B. Injektoren und Zyklone. In der chemischen Reaktionstechnik, der Biotechnologie und anderen Gebieten der Verfahrenstechnik findet man in zunehmendem Maße auch Dreiphasenströmungen aus Gas, Feststoff und Flüssigkeit, z.B. in Dreiphasen-Wirbelschichtreaktoren, in Schlaufenreaktoren und bei der Förderung von Manganknollen oder anderer Feststoffe vom Meeresboden nach dem Mammutpumpenprinzip. Die strömungstechnischen Berechnungen mehrphasiger Systeme bilden den Schwerpunkt der Vorlesung. Daneben werden apparate- und anwendungstechnische Aspekte der Mehrphasenströmungen exemplarisch behandelt.

Vor dem Hintergrund einer ganzheitlichen Nachhaltigkeitsstrategie, die sowohl ökologische, ökonomische als auch soziale Aspekte umfasst, veranschaulicht die Vorlesung, an welcher Stelle eines typischen Produktlebenszyklus Ingenieure einen Einfluss auf die Nachhaltigkeit von Produkten und deren Herstellungsprozesse nehmen können. Die Integration von Nachhaltigkeitsbetrachtungen in den Workflow einer Verfahrensbearbeitung, die dabei auftretenden Anforderungen an eine nachhaltige Prozessentwicklung, die Vorgehensweise bei einer ökologischen Betrachtung sowie Werkzeuge zur Ökobilanzierung werden in der Vorlesung ausführlich behandelt. In einer begleitenden Übung werden Grundkenntnisse im Umgang mit der Stoffstrommodellierungssoftware umberto® sowie neue Methoden zum Erstellen von Stoffstrommodellen und zur ökologischen Bewertung von verfahrenstechnischen Prozessen vermittelt.

Wesentliche Vorlesungsinhalte:

• Definition und Bedeutung von Nachhaltigkeit

• Beispiele nachhaltiger Produkte (Übertragbarkeit auf Produktionsprozesse)

• Historische Entwicklung, aktuelle Initiativen und zukünftig zu erwartende Entwicklung

• Umweltmanagementsysteme in Unternehmen

• Integration von Nachhaltigkeitsbetrachtungen in den Workflow einer Verfahrensentwicklung

• Vorgehen bei ökologischen Betrachtungen und Bewertungen

• Herausforderungen in der Forschung und Entwicklung

• Werkzeuge der Ökobilanzierung (Software, Datenbanken, Ansätze)

• Stoffstrommodellierung

• Design nachhaltiger Prozesse und Anlagen

Vor Beginn der Lehrveranstaltung findet eine Vorbesprechung unter anderem zur Terminplanung statt. Der Termin wird rechtzeitig auf der Website des ICTV veröffentlicht. Weitere Frage beantworten die Betreuer der Lehrveranstaltung.

Ionische Flüssigkeiten („ionic liquids“ = „IL“) sind eine Gruppe von Stoffen, die etwa seit dem Jahr 2000 großes Interesse in der Forschung hervorrufen. Sie haben aufgrund besonderer Eigenschaften und ihrer Vielfältigkeit zahlreiche mögliche Einsatzgebiete in der Verfahrenstechnik, aber auch in anderen Ingenieuranwendungen.

In dieser Vorlesung werden die Eigenschaften und die Herstellung ionischer Flüssigkeiten vorgestellt. Weiterhin werden die wichtigsten möglichen Einsatzgebiete und Anwendungen vorgestellt. Diese Beispiele kommen aus dem Bereich der Katalyse, der thermischen Trennverfahren, der Biokatalyse und der pharmazeutischen Anwendungen. Darüberhinaus werden die Perspektiven ionischer Flüssigkeiten als sogenannte Engineering Fluids, zum Beispiel als Dicht- oder Schmierflüssigkeit erläutert. Neben dem Einsatz als Bulkflüssigkeit wird auch auf das zunehmend wichtige Technologiefeld dünner IL Filme und Schichten auf festen Oberflächen eingegangen. Schließlich werden in der Vorlesung die Möglichkeiten des Recycling und Reinigung ionischer Flüssigkeiten vorgestellt generell Umweltaspekte erläutert und diskutiert.

Die Vorlesung gliedert sich in 2 Hauptteile. Im ersten Teil werden die Grundlagen, wie typische Merkmale von Membranprozessen, Strukturen (Materialien, Herstellung) und Stoffaustauschvorgänge vermittelt. Hierbei werden auch Aspekte der Entwicklung organischer und anorganischer Membranen, sowie die Modifizierung von Membranen zur Erzielung verbesserter Trenneigenschaften betrachtet. Im zweiten Teil werden anwendungsorientierte Themen beleuchtet, dabei wird ein spezieller Fokus im Bereich der pharmazeutischen Industrie gelegt und den aktuellen Forschungsstand vermittelt.

Ziel der Prozess- und Anlagensicherheit ist die sichere und umweltverträgliche Herstellung von chemischen Produkten. Die Vorlesung vermittelt aufbauend auf der Analyse von historischen Störfällen die Grundlagen der sicherheitstechnischen Beurteilung von verfahrenstechnischen Anlagen. An praxisrelevanten Beispielen aus der Prozessindustrie werden sicherheitstechnische Fragestellungen diskutiert.

Inhalte der Vorlesung:

• Einführung in die Sicherheitstechnik

• Sicherheitsbeurteilung von gefährlichen Stoffen

• Brand- und Explosionsschutz

• Anlagensicherheitskonzepte

• Risikomanagement

In der Vorlesung "Thermische Verfahrenstechnik für Fortgeschrittene" werden Themen der Kristallisation mit Kühlungs-, Verdampfungs- und Fällungskristallisation, der Rektifikation unter Anwendung des McCabe-Thiele-Diagramms, der Absorption, der Trocknung sowie der Membranverfahren mit Umkehrosmose, Mikrofiltration, Nanofiltration und Pervaporation vorgestellt.
In den Übungen "Thermische Verfahrenstechnik für Fortgeschrittene" werden die in der Vorlesung vorgestellten Modelle und Berechnungsansätze anhand von Beispielen angewendet. Hierzu zählen Themen wie Kristallisation (Bestimmung der Wertproduktausbeute), Rektifikation (Mindestrücklaufverhältnis, theoretische Stufenzahl, praktische Bodenzahl), Absorption (Mindestwaschmittelbedarf, Bilanzierung Gesamtkreislauf) und Trocknung (Durchlauf- vs. Umlufttrocknung).

Die Vorlesung vermittelt die Grundlagen der Anlagenplanung und wird durch eine Projektarbeit zum Design eines vollständigen verfahrenstechnischen Prozesses begleitet. Dabei wird eine kommerzielle Software für die Fließbildsimulation verwendet. Hauptthemen der Vorlesung sind:

• Prozessdatenbeschaffung (z.B. physikalische Eigenschaften, Sicherheitsdaten, Kapazitätsdaten)
• Prozessentwicklung anhand von Reaktionsgleichungen
• Wärme- und Massenbilanzen, Fliessbildsimulation
• Dimensionslose Kennzahlen für die überschlägige Dimensionierung von Apparaten
• Auswahl und genaue Dimensionierung geeigneter Apparate (z.B. Kolonnen, Wärmeübertrager)
• Computer Aided Process Engineering
• Kostenschätzung
• Rechtliche Aspekte (z.B. Umweltauflagen, Genehmigungsverfahren)

In der Vorlesung Grundoperationen der Fluidverfahrenstechnik werden die Grundlagen der wichtigsten fluiden Trennverfahren besprochen und erläutert. Im Einzelnen sind dies:

• Stoffverhalten und Phasengleichgewichte

• Wärmeübertragung, Verdampfung und Kondensation

• Kristallisation

• Rektifikation

• Adsorption

• Extraktion

Neben der theoretischen Beschreibung der genannten Verfahren sind die passenden Apparate und deren Auslegung Gegenstand der Vorlesung.

Die Veranstaltung vermittelt die Grundlagen der Thermischen Verfahrenstechnik mit speziellem Bezug zu biotechnologischen und pharmaverfahrenstechnischen Anwendungen. Aufbauend auf der Beschreibung des Stoffverhaltens von Reinstoffen und mehrkomponentigen, mehrphasigen Gemischen werden die wesentlichen thermischen Trennoperationen sowie ihre apparative Umsetzung behandelt. Im Einzelnen werden betrachtet:
- Stoffverhalten und Phasengleichgewichte
- Wärmeübertragung, Verdampfung, Kondensation
- Extraktion,
- Adsorption,
- Chromatographie.

Die Umsetzung thermischer, mechanischer und chemischer Grundoperationen in den Mikromaßstab und deren Integration in verfahrenstechnische Anlagen wird den Studierenden dargestellt. Die für die Umsetzung erforderlichen Kenntnisse zur Skalierung und Miniaturisierung physikalischer Effekte und deren Auswirkungen auf die Fluid- und Thermodynamik in Mikrosystemen werden erarbeitet und diskutiert. Anhand der Vor- und Nachteile der Mikroverfahrenstechnik, soll die industrielle Bedeutung behandelt und gegenwärtige sowie zukünftige Einsatzgebiete von Mikrokomponenten vorgestellt werden. Mit dem begleitenden Praktikum werden die Studierenden miniaturisierte verfahrenstechnische Grundoperation in einem vollständigen Produktionsprozess eigenständig durchführen und auswerten. Vorstellung mikroverfahrenstechnischer Apparate und deren Einsatz in Industrie und Forschung; Skalierungsgesetze; Theorien zur Impuls-, Wärme,- und Stoffübertragung im Mikrobereich; Vor- und Nachteile der Mikroverfahrenstechnik, wissenschaftliche und wirtschaftliche Potenziale der Mikroverfahrenstechnik; Strategien zur Umsetzung verfahrenstechnischer Grundoperationen in den Mikromaßstab und deren Integration in einen Gesamtprozess mit zugehöriger Peripherie und Messtechnik.