Funktionalitätenverteilung und Produktbereiche für die Prozesssynthese integrierter reaktiver Trennverfahren (PDF)

Durch Integration einer chemischen Umsetzung in eine verfahrenstechnische Grundoperation können Synergieeffekte entstehen, die den benötigten apparativen und betrieblichen Aufwand eines Produktionsverfahrens signifikant reduzieren. Die Realisierung derartiger Integrationen wird häufig durch das unzureichend tiefe Prozessverständnis, gerade in Bezug auf spezielle räumliche Anordnungen der funktionellen Einheiten, gehemmt.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer vom betrachteten Phasensystem unabhängigen systematischen Prozesssynthesestrategie für integrierte reaktive Trenn¬verfahren. Die integrierte Einheit wird dabei als mehrphasiger Prozess mit mindestens einer reaktiven Phase und einer Transportphase verstanden. Der spezielle Fokus liegt auf der räumlichen Verteilung der vier Basisfunktionalitäten Reaktion, Trennung, Reaktivtrennung und Mischung sowie auf der Behandlung thermodynamischer Nichtidealitäten. Hierzu wurden neben umfangreichen Literaturstudien drei sich stark unterscheidende integrierte reaktive Trennverfahren untersucht.
Die simulationsbasierten Studien zu Lage und Interpretation von Produktbereichen der reaktiven Extraktion dienten in erster Linie dazu, die Datenbasis auf diesem Gebiet zu erweitern und in Form heuristischer Regeln für die Prozesssynthese nutzbar zu machen.
Die beiden anderen integrierten reaktiven Trennverfahren, die lineare reaktive Chromatographie und die reaktive Rektifikation, wurden mittels rigoroser Simulation und Optimierung untersucht und miteinander verglichen. Dabei liessen sich die wesentlichen Unterschiede beider Verfahren darauf zurückführen, dass bei der reaktiven Chromatographie beide Phasen unabhängig vom reaktiven Stoffsystem sind, bei der reaktiven Rektifikation hingegen genau aus diesem Stoffsystem gebildet werden. Dieses Wissen gekoppelt mit den erarbeiteten Gemeinsamkeiten beider Prozesse bezüglich Parameterabhängigkeit und räumlicher Funktionalitätenverteilung ermöglichten die Entwicklung einer generischen Prozesssynthesestrategie für integrierte reaktive Trennverfahren. Diese Strategie betrachtet zunächst allein die reaktive Phase, danach die gesamte integrierte Einheit und deren Produktbereiche. Schliesslich werden Empfehlungen zur räumlichen Verteilung von Funktionalitäten gegeben, welche für weitere Parameteroptimierung genutzt werden können.
Die Allgemeingültigkeit der entwickelten Prozesssynthesestrategie wurde an drei realen Beispielen demonstriert und durch die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschergruppe „Integrierte Reaktions- und Trennoperationen“ im Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen an der Universität Dortmund experimentell bestätigt.