Untitled - Aachener Verfahrenstechnik

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DFG-Projekt „Stofftransport im Rieselfilm“ Rieselfilme besitzen in der Praxis nach wie vor eine hohe Relevanz, aktuelle Anwendungsgebiete sind z. B. die CO2-Wäsche von Abgasen oder die Mikrotrenntechnik in Mikrofallfilmapparaten. Die Dynamik und Struktur der in Rieselfilmen entstehenden Wellen wird intensiv untersucht, ist jedoch bis heute nicht ausreichend verstanden. Ein genaues Verständnis der welleninduzierten Transportphänomene ist jedoch für die präzise Auslegung von Fallfilmapparaten von entscheidender Bedeutung, da diese Wellen den Wärme- und Stofftransport maßgeblich steigern. Im April dieses Jahres startete das DFG- Forschungsprojekt „Stofftransport im Rieselfilm“, welches seine Wurzeln in der erfolgreichen interdisziplinären Zusammenarbeit des SFB 540 hat. Die Institute IGPM (Prof. Reusken), AVT.PT (Wolfgang Marquardt) und AVT.MVT (Michael Modigell) werden dabei in diesem für drei Jahre geförderten Gemeinschaftsprojekt eng zusammenarbeiten. Das Ziel ist die Entwicklung eines detaillierten und gleichzeitig ingenieursmäßig handhabbaren Auslegungsmodells auf Basis effektiver Diffusionskoeffizienten zur Beschreibung des Stofftransports im Rieselfilm. Dabei soll der Schwerpunkt auf einem instationären, dreidimensionalen Modell liegen, das in der Lage ist, den durch die Welligkeit gesteigerten Stofftransport adäquat vorherzusagen. Dazu sollen im Rahmen dieses Forschungsprojektes an der AVT.MVT zeitlich und örtlich hochauf- Mechanische Verfahrenstechnik gelöste experimentelle Untersuchungen am Rieselfilm durchgeführt werden. Ausgehend von der im Rahmen des SFB 540 entwickelten Messmethode der laser-induzierten Lumineszenz (LIL) wird diese zu der planaren laser-induzierten Lumineszenz (pLIL) weiterentwickelt. Dadurch wird die Messung der Konzentrationsverteilung in 2D ermöglicht. So kann insbesondere der für die Intensivierung des Stoffübergangs maßgebliche Kapillarwellenbereich besser untersucht werden. Kann Wasserstoff auch umweltfreundlich erzeugt werden? Mit dieser Frage setzen sich seit Anfang 2006 im Rahmen eines von der EU geförderten Projekts HYVOLUTION über 20 wissenschaftliche Institutionen aus Europa, Russland, der Türkei und Südafrika auseinander. Um auf lange Sicht unabhängig von fossilen Ressourcen zu werden, sind in den vergangenen Jahren weltweit Verfahren entwickelt worden, mit deren Hilfe Wasserstoff aus erneuerbaren Energieträgern hergestellt werden kann. In biologischen Prozessen werden dabei Mikroorganismen genutzt, die während der Vergärung von Biomasse unter anaeroben Bedingungen Essigsäure und Wasserstoff freisetzen. Daneben sind aber auch Bakterien bekannt, die mit Hilfe von Sonnenlicht in der Lage sind, Wasserstoff durch Photosynthese aus kurzkettigen organischen Säuren herzustellen. Im HYVOLUTION werden diese beiden mikrobiologischen Prozesse so miteinander gekoppelt, dass der daraus resultierende zweistufige Bioprozess den in der Biomasse enthaltenen Wasserstoff möglichst vollständig freisetzt und ihn damit technisch nutzbar macht. Ziel des Projektes ist es eine Demonstrationsanlage aufzubauen, mit der Wasserstoff aus Biomasse gewonnen werden kann. Dazu ist es einerseits notwendig, die momentanen Kenntnisse über die Biologie der Wasserstoffgärung, die im Labor gewonnen wurden, zu vertiefen und die Einflussparameter auf eine optimale Wasserstoffproduktionsrate zu ermitteln. Während diese Aufgabe von Mikrobiologen übernommen wird, arbeiten Rührkessel - Die AVT im Blick Mechanische Verfahrenstechnik 12
gleichzeitig Verfahrenstechniker daran, Anlagen im vergrößerten Maßstab zu entwickeln und zu testen, um den Schritt vom Reagenzglas zur technischen Anlage zu ermöglichen. Dabei müssen die Bioreaktoren einerseits den besonderen Anforderungen der eingesetzten Mikroorganismen, wie z.B. ausreichende Lichtversorgung der photosynthetisch aktiven Zellen, Rechnung tragen und andererseits so konzipiert sein, dass sie auch von Laien bedient werden können. Weitere Aufgabe der Verfahrenstechnik ist es, unter der Mithilfe von Chemikern einen Prozess zu entwickeln, der das überschüssige und unvermeidlich freigesetzte Kohlendioxid effizient aus dem Produktgasstrom abtrennt. Eine konventionelle Gasreinigung kommt aufgrund des sehr hohen Energieaufwandes und der besonderen Anforderungen des Bioprozesses (starke Schwankungen in Fluss und Zusammensetzung des Gases) nicht in Frage. Gleichzeitig werden auch schon von Beginn des Projektes an Prozessmodelle der zukünftigen Anlage erstellt und Simulationen durchgeführt, um erstens ökonomisch oder ökologisch nicht sinnvolle Konzepte frühzeitig ausschließen zu können, und um zweitens kritische Parameter zu identifizieren, die dann entsprechend verbessert werden können. Das Projekt wird Anfang des nächsten Jahres abgeschlossen. Eine Kupplung der beiden biologischen Stufen im Pilotmaßstab wurde diesen Sommer erfolgreich durchgeführt. Es sieht also danach aus, dass in der näheren Zukunft der Wasserstoff auch umweltfreundlich gewonnen werden kann. Abb.10: Schema des HYVOLUTION Prozesses Molekulare Simulationen und Transformationen Multiskalen-Modellierung Molekularer Transformationen Die Juniorprofessur „Multiskalen-Modellierung Molekularer Transformationen (MST)“ begann im März 2010 mit der Ernennung von Ahmed E. Ismail. Die MST-Gruppe ist Teil des Exzellenzclusters „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ (TMFB). Sie ist der AICES Graduiertenschule für Computational Engineering Sciences angehörig und wird als Teil der AVT.PT geführt. Forschungsschwerpunkt der Gruppe ist dabei die Methodenentwicklung im Bereich komplexer Schnittstellen mit Anwendung in den Feldern Energie und Umwelt. Forschung im Bereich des TMFB Zwei neue Projekte wurden 2010 im Rahmen des TMFB ins Leben gerufen. Das Projekt „Thermodynamik stark ionischer Medien“ soll vertieftes Verständnis thermodynamischer Eigenschaften von Systemen stark geladener Komponenten generieren, wie sie im Organosolv- prozess oder beim Umgang mit ionischen Flüssigkeiten zur Auflösung von Cellulose auftreten. Das zweite Projekt „Dynamik und Transportgrößen von Lösungen aus Cellulose und ionischen Flüssigkeiten“ untersucht den Effekt gelöster Zucker und abgeleiteter Komponenten auf die Eigenschaften ionischer Flüssigkeiten und weiteren – in der Produktion von Kraftstoffen aus Biomasse verwendeten – Medien. Darüber hinaus etabliert die Gruppe Zusammenarbeiten mit weiteren Forschungsgruppen des TMFB- Programms, um molekulare Schlüssel-Syteme des Biokraftstoff-Prozesses zu identifizieren. Lehre Ahmed E. Ismail wird Kurse sowohl zusammen mit anderen AVT-Lehrstühlen wie auf eigenständiger Basis anbieten. Im WS 2010/2011 wird er zusammen mit Wolfgang Marquardt die Vorlesung „Simulationstechnik II“ für das Computational Engineering Sciences (CES) Programm halten. Im SS 2011 wird ein neuer Kurs über molekulare Simulationsmethoden angeboten. 13 Molekulare Simulationen und Transformationen Rührkessel - Die AVT im Blick
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