• Bachelorarbeit
• Masterarbeit
• Diplomarbeit

simulativ

Modellierung der betriebsparameterabhängigen Katalysatordesaktivierung in Rieselbettreaktoren

In Rieselreaktoren werden eine Flüssigphase und eine Gasphase im Gleichstrom von oben nach unten durch ein Bett bestehend aus festen Katalysatorpartikeln geleitet. Diese verlieren über die Betriebsdauer hinweg ihre Aktivität (Katalysatordesaktivierung). Nach einer gewissen Betriebsdauer muss der Katalysator kosten- und zeitaufwändig ersetzt werden. Die Geschwindigkeit, mit der der Katalysator desaktiviert, hängt von zahlreichen Faktoren ab. Diese können durch die Prozessführung prinzipiell beeinflusst werden. Der Einfluss der Einzelnen Parameter auf die Gesamtproduktivität des Prozesses kann mit Hilfe von Modellen untersucht werden.

Ziele:

Ziel ist es einen optimalen Betriebspfad zu finden, der die Katalysatordesaktivierung minimiert und gleichzeitig jederzeit die erforderliche Produktausbeute garantiert.

Anforderungen:

Programmierkenntnisse (z.B. Julia, Matlab) und grundlegende Kenntnisse der Reaktionstechnik (z.B. Vorlesung Chemische Verfahrenstechnik oder Energieverfahrenstechnik) vorteilhaft.

• Masterarbeit

• Experimentell

Wenn die Geschwindigkeit einer Reaktion extrem hoch ist, kann die Vermischung der Edukte eine große Rolle für die Selektivität spielen. Im Gegensatz zu kinetisch limitierten Reaktionen gibt es für diese mischungssensitiven Reaktionen keine einfachen Modellansätze, die den Einfluss verschiedener Prozessvariablen, wie z.B. der Feedeintrittsgeschwindigkeit oder der Lage der Feedpunkte, auf die Selektivität der Reaktion zuverlässig beschreiben können. Aus diesem Grund wird am Fraunhofer ITWM in Zusammenarbeit mit dem LRF eine CFD-basierte Methode entwickelt, die diese Zusammenhänge zuverlässig beschreiben soll. Um die Qualität der Modellvorhersage zu überprüfen, werden im Rahmen dieser Arbeit experimentelle Untersuchungen durchgeführt.

Dazu sollen zwei verschiedene Untersuchungen an einem einfachen einphasigen Reaktor durchgeführt werden. Zum einen sollen mittels Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen die Strömungsverhältnisse im Einlaufbereich erfasst werden. Zum anderen sollen in diesem Reaktor umfangreiche Parameterstudien mit mischungssensitiven Testreaktionen durchgeführt werden.

Ziele:

Aufbau einer Messapparatur und Durchführung von fluiddynamischen und reaktiven Studien von mischungssensitiven Reaktionen.

Anforderungen:

Erfahrungen im Labor vorteilhaft.

• Masterarbeit
• Projektarbeit
• Bachelorarbeit
• Teamarbeit

• Wärmeübertragung
• Experimentell

Ein großer Teil der Weltbevölkerung hat noch immer keinen Zugang zu sauberem Wasser. Es gilt neue, innovative und kostengünstigere Herstellungsmethoden zur Trinkwassergewinnung zu generieren. Die Meerwasserentsalzung ist in diesem Gebiet eine der am häufigst untersuchten Technologien. Das größte Potential für eine spürbare Kostenreduzierung der Trinkwasseraufbereitung bieten Wärmeübertrager. Es werden hohe Energieströme benötigt, um Arbeitsfluide aufzuheizen oder abzukühlen. Ein interessantes Feld für die Forschung im Bereich der Wärmeübertragung stellt die Tropfenkondensation dar. Experimente ergaben, dass die Wärmeübergangszahl bei einer Tropfenkondensation um ein Vielfaches höher ist als bei der Filmkondensation und die Effizienz der Wärmeübertrager somit deutlich gesteigert werden kann. Eine Oberfläche beeinflusst durch ihre Oberflächenenergie und ihre Strukturierung das Benetzungsverhalten von Flüssigkeiten. Am LRF wird momentan in Kooperation mit der AG PTNano der Einfluss von Mikro- und Nanostrukturierungen auf Werkstoffoberflächen in Bezug auf Tropfenkondensation untersucht. Mit Hilfe der mikrostrukturierten Siliziumwafer der AG PTNano wurde ein Prägeverfahren entwickelt, das ermöglicht verschiedene Polymere zu strukturieren. Des Weiteren werden die mikrostrukturierten Polymere in einem Sputterprozess mit einer Aluminiumschicht versehen. Durch die Oxidation der Aluminiumschicht in einem Heißwasserbad bilden sich Nanostrukturen auf den geprägten Polymeren. Nach der Nanostrukturierung wird die Oberflächenenergie mit einem Sterainsäurebad herabgesetzt, um superhydrophobe Oberflächen zu schaffen. In dieser Arbeit soll untersucht werden, wie sich die Strukturierung und Beschichtung der Polymere auf das Kondensationsverhalten auswirkt. Vorversuche haben gezeigt, dass die alleinige Strukturierung nicht ausreicht um den Wärmestrom eindeutig zu verbessern, weshalb die Variation der Oberflächenenergie der strukturierten Proben in Hinsicht auf den Wärmeübergangskoeffizienten untersucht werden soll. Für die Versuche wird eine vorhandene Technikumsanlage verwendet.

• Master thesis

Mass transfer with chemical reaction in two-phase systems

Topic:

Gas-liquid reactors are widely used in industrial applications. Several processes, such as hydrogenation, halogenation, sulfonation, nitration, oxidation of organic and inorganic compounds, are performed in gas-liquid reactors where reactions between liquid and gaseous reactants take place [1]. These reactors have a crucial role in transforming raw materials into valuable products in industries such as pharmaceuticals, petrochemicals, and environmental engineering.

To optimize mass transfer in gas-liquid reactors, it is essential to have a comprehensive understanding of the reaction kinetics and carefully consider factors such as mixing, interfacial area, mass transfer coefficient, temperature, pressure, and more. By investigating these factors, we can enhance our understanding of the underlying mass transfer mechanisms and develop strategies to optimize reactor design and operation.

Aims:

In this work, sulphite oxidation is used to measure mass transfer coefficient in a gas-liquid mixing reactor, and the influence of different mixing intensities on mass transfer and hydrodynamic parameters such as bubble diameter, gas hold-up, and interfacial area is investigated. By studying these factors, useful insights can be gained into the dominant mass transfer mechanisms within the reactor.

Requirements: 

• Basic knowledge of mass transfer and fluid mechanics.
• Ability to work independently.
• Independent problem solving.
• Experience with experimental equipment and/or laboratory experience is desirable.

Reference:

[1] M. Pisu, A. Cincotti, G. Cao, F. Pepe, Studies in Surface Science and Catalysis, Volume 133, 2001, Pages 471-476.

• Bachelorarbeit
• Masterarbeit
• Projektarbeit
• Studienarbeit

Organisches und kristallines Fouling

In vielen Industrieanwendungen von Wärmeübertragern kommt es aufgrund von Ablagerungen zu einem verminderten Wärmeübergang. Dieses sogenannte Fouling führt zu erhöhten Kosten im Betrieb der Anlage oder bei der Anschaffung der Apparate. Außerdem müssen für die Reinigung oftmals Laugen oder Säuren eingesetzt werden, die anschließend nicht nachhaltig aufbereitet werden können und entsorgt werden müssen.

Als Alternative zu den herkömmlich in Wärmeübertragern genutzten Edelstählen wie zum Beispiel 1.4301, wird bei foulinganfälligen Systemen vermehrt auf Folien aus Hochleistungskunststoffen wie Polyetheretherketone (PEEK) gesetzt. Diese sollen die geringere Foulingneigung besitzen. Die Reinigung der Oberfläche soll außerdem ohne die Hilfe von Laugen und Säuren vollzogen werden.

Ziele: 
Im Rahmen der Arbeit werden an einer Screeningapparatur die Einflüsse der Bulktemperatur, Konzentration und Wärmeleistung auf das Foulingverhalten der Stoffsysteme CaSO₄ und Milchproteinkonzentrat (WPC) untersucht. Dafür sind verschiedene Polymeroberflächen zu untersuchen. Anschließend sind in einer Scale-Up Apparatur die Übertragbarkeit der aus der Screening Anlage gewonnenen Ergebnisse zu prüfen. Die Ergebnisse sind mit Literaturwerten zu vergleichen.

Anforderungen: 
Grundlegende Kenntnisse der Wärmeübertragung.
Selbstständige Arbeitsweise.
Eigenständige Problemlösung.
Erfahrung mit Versuchsanlagen und/oder Laborerfahrung wünschenswert.

• Teamarbeit
• Studienarbeit
• Forschungsarbeit
• Projektarbeit

• Konstruktiv
• Experimentell

Häufig treten in Prozessen, die in der chemischen Industrie genutzt werden, mehrphasige Systeme auf. Die Charakterisierung dieser Systeme ist eine anspruchsvolle Messaufgabe und notwendig, um solche Prozesse zu regeln, zu optimieren und Modelle zu validieren. Ein mehrphasiges System wird durch eine Vielzahl an Eigenschaften charakterisiert, wobei eine wichtige Eigenschaft der dispersen Phase deren Größenverteilung ist. Im Fall, dass die kontinuierliche Phase flüssig und die disperse Phase gasförmig ist, wird die Größenverteilung, Blasengrößenverteilung (BSD) genannt.

Eine Möglichkeit, um solche Systeme hinsichtlich der BSD zu charakterisieren stellen bildoptische Methoden dar. Um hier eine möglichst gute Grundlage für die spätere Auswertung der Bilder zu schaffen, ist es von Interesse eine möglichst hohe Ausleuchtung der region of interest (ROI) bei gleichzeitig kurzen Belichtungszeiten zu ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit soll dazu ein bestehender Versuchstand dahingehend optimiert werden, dass mit diesem BSD in einer Reaktionsmischpumpe bestimmt werden können. Eine Reaktionsmischpumpe stellt dabei ein interessantes aber bisher wenig erforschtes Reaktorkonzept dar, gerade wenn es um mehrphasige Systeme geht.

• Teamarbeit
• Studienarbeit
• Projektarbeit

• Digitalisierung
• Versuchsplanung

Beurteilung und Auswahl eines elektronischen Laborbuchs.
 

Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung gewinnen elektronische Laborbücher zunehmend an Bedeutung. Diese bieten vielfältige Möglichkeiten zur Optimierung von Forschungsprozessen und zur Steigerung der Effizienz in wissenschaftlichen Lehrstühlen. Im Rahmen dieser Studienarbeit soll die Auswahl eines passenden elektronischen Laborbuchs für unseren Lehrstuhl analysiert werden. Ziel ist es, eine fundierte Empfehlung für die Einführung einer solchen Plattform zu erarbeiten und dabei die individuellen Anforderungen und Bedürfnisse des Lehrstuhls zu berücksichtigen.

Forschungsfragen:

Die Studienarbeit wird sich auf folgende zentrale Forschungsfragen konzentrieren:

1. Welche verschiedenen elektronischen Laborbuch-Plattformen sind am Markt verfügbar, und welche Funktionen bieten sie?
2. Welche Vor- und Nachteile weisen die einzelnen Plattformen auf, und wie können sie auf die spezifischen Anforderungen unseres Lehrstuhls angewendet werden?
3. Welche Auswirkungen haben die ausgewählten Plattformen auf die Effizienz, Datenintegrität und Zusammenarbeit innerhalb der Forschungsprojekte?
4. Wie kann die Integration in die bestehende IT-Infrastruktur gewährleistet werden, und wie benutzerfreundlich ist die ausgewählte Plattform für alle Lehrstuhlmitglieder und Studierenden?

Methodik:

Zur Beantwortung der Forschungsfragen werden verschiedene Methoden angewandt. Neben einer umfassenden Literaturrecherche werden Experteninterviews mit Lehrstuhlmitgliedern durchgeführt, um deren Meinungen und Anforderungen zu ermitteln. Die gewähltene Laborbücher werden des Weiteren anhand von Beispielen von Versuchsdaten getestet .

Die erfolgreiche Umsetzung dieser Studienarbeit wird nicht nur für Sie persönlich eine wertvolle Erfahrung sein, sondern auch einen Beitrag zur Weiterentwicklung unseres Lehrstuhls leisten.

Bei Fragen und Interesse wenden sie sich an Yannick Mayer.