chemische verfahrenstechnik 2018 [schreibgeschützt] · universität stuttgart entwicklung der...
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Institut für Chemische Verfahrenstechnik
Prof. U. Nieken
Chemische Verfahrenstechnik
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Universität Stuttgart
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Universität Stuttgart
Chemische Verfahrenstechnik
3
Mathematisch orientiert
naturwissenschaftlich orientiert
wirtschaftlichorientiert
Grundlagendes
Ingenieurs
Automatisierungs-technik
Technologie-management
TechnischeKybernetik
Verfahrenstechnik
Fahrzeug- und Motorentechnik
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Universität Stuttgart
Chemische Verfahrenstechnik
4
Historische Entwicklung
Arbeitsfelder
Ausbildungsinhalte
Vorlesungsangebot
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Universität Stuttgart
Entwicklung der Chemische Verfahrenstechnik
5
Stoffumwandlung durch chemische Reaktion
Bindeglied zwischen Verfahrenstechnik und Chemie
• Scale-up von Labor zu Produktionsmaßstab
Foto:BASF
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Universität Stuttgart
Chemische Reaktionstechnik
Chemie:Ausarbeitung Syntheseabgeschlossen
Verfahrenstechnik:Produktion größererMengen
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Universität Stuttgart
RührkesselreaktorjN p
T
c j RV
jN
Aufgabe des Ingenieurs:- Apparatebau- Vermischung- Wärmeabfuhr
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Universität Stuttgart
ChemischeReaktionen
Elektro-ChemischeEnergiespeicher
Pharmakologie:Wirkstoffabbau
im Körper Brennstoff-zellen
KFZ-Abgas-reinigung
Lebensmittel-technik
Biotechnologie
ChemischeIndustrie
Pharma-Industrie
Halbleiter-herstellung
(Bio-) Polymere
neue Werkstoffe
Arbeitsfelder
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Universität Stuttgart
Drei-Wege Katalysator
• M.Sc. Jeremias Bickel
Beispiel Reaktionstechnik
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Universität Stuttgart
TWC functionality
CO2
N2
H2O
HC + O2 CO2 + H2O
CO + O2 CO2
NO + CO CO2 + N2
TWC
engine-out (EO) tailpipe (TP)
N2(≈71%)
CO2 (≈14%)
H2O (≈13%)
CO (≈1%)
O2 (≈1%)
NOx (≈0.1%)
HC (≈0.1%)
air
λ-controlon-board diagnosis
air massmeasurement
fuel injection
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Universität Stuttgart
Steady-state conversion < 1
oxidant deficiency /reductant excess
> 1reductant deficiency /oxidant excess
narrow operating window
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Universität Stuttgart
Extending the operating window: Basic idea
< 1oxidant deficiency /reductant excess
> 1reductant deficiency /oxidant excess
Store and release oxygen to compensate for an imbalance of oxidants and reductants during operation at λ ≠ 1
release oxygen store oxygen
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Universität Stuttgart
Transient TWC behavior without oxygen storage
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Universität Stuttgart
Transient TWC behavior with perfect oxygen storage: Infinite capacity, infinite storage/release rate
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Universität Stuttgart
How to examine oxygen storage dynamics:
Experimental setup
static mixergraphite gaskets
inlet gas withdrawal + thermocouple
catalyst slice
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Universität Stuttgart
Simulation results
Catalyst A Catalyst E richlean
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Universität Stuttgart Datum
Aufgabe des Ingenieurs:
Verständnis für Zusammenwirken von chemischen Umsetzungen (CO, NOx, HC) und Stoffspeicherung (Sauerstoff)
Vermessung der Geschwindigkeit von Reaktion und Speicherung
Entwicklung eines einfachen mathematischen Modells
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Universität Stuttgart
Institut für Chemische Verfahrenstechnik
ReaktionstechnikProf. Dr.-Ing. Ulrich Nieken
Strukturbildung und Transport in porösen MedienProf. Dr.-Ing. Ulrich Nieken
Apparate und AnlagentechnikProf. Dr.-Ing. habil. Clemens Merten
Polymer- u. MembrantechnikDr. Jochen Kerres
Partikelbasierte FunktionsmaterialienPD Dr.-Ing. habil. Martin Seipenbusch
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Universität Stuttgart
Solare Kühlung
• M.Sc. Marc Scherle(Doktorand)
Beispiel Physikalisch-Chemische Verfahren
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Universität Stuttgart
Physikalisch-Chemische Verfahren
Beispiel: Solare Kühlung mittels Adsorptionsverfahren
pQ.
Q.
p
RegenerationZyklische
Betriebsweise
Prozesssimulation Detaillierte Beschreibung des Adsorptionsvorgangs
Produktion
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Universität Stuttgart
Adsorptionskältemodul
Monolithische AK: Aktivkohlepulver mit keramischem Binder extrudiert
𝑡 MAC
Adsorptionskältemodul mit monolithischer Aktivkohle
MeOH (g)
Edelstahlflachrohr
Monolithische Aktivkohle
WärmeträgerfluidEnergie- und Stofftransport
AdsorptionDesorption
Beschreibung des Stoff- und Energietransports mithilfe von Massen- und EnergiebilanzenHerausforderung: Optimierung der Aktivkohle für die Adsorptionskälteanwendung
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Universität Stuttgart
Integriertes Adsorptionskältemodul
R. Burk et.al., Modul für eine Adsorptionswärmepumpe, DE102011079586A1
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Universität Stuttgart
Aufgabe des Ingenieurs:
Quantifizierung des Stoff- und Wärmetransportes
Auswahl geeigneter Materialien
Design der Wärmepumpe
dynamische Simulation und Optimierung der Wärmepumpe
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Universität Stuttgart
Flüssigkeitsbatterie
• M.Sc. Jiabing Xia
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Universität Stuttgart
EDBP (Charging) EDBP (Charging) Electricity
NaCl
NaOH HCl
REDBP (Discharging)REDBP (Discharging)
HCl NaOH
HClStorage
NaOHStorage
NaCl
Electricity
Salt Water
Funktionsprinzip
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Universität Stuttgart
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AEM BP CEM
NaCl
(a) (b)
(c) (d)
Membrane
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Universität Stuttgart 27.11.2018 27
Aufbau eines Stacks
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Universität Stuttgart
• 5 x 5 cm2Working Cell
28
123456
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Universität Stuttgart
Aufgabe des Ingenieurs:
Grundlagen Elektrochemie
Aufbau und Betrieb Prototyp
Optimierung des Aufbaus
Auswahl und Bewertung der Membran
Simulation der Leistungsverluste
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Universität Stuttgart
Institut für Chemische Verfahrenstechnik
ReaktionstechnikProf. Dr.-Ing. Ulrich Nieken
Strukturbildung und Transport in porösen MedienProf. Dr.-Ing. Ulrich Nieken
Apparate und AnlagentechnikProf. Dr.-Ing. habil. Clemens Merten
Polymer- u. MembrantechnikDr. Jochen Kerres
Partikelbasierte FunktionsmaterialienPD Dr.-Ing. habil. Martin Seipenbusch
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Universität Stuttgart
Thermodynamik von Mischungen
Spezialisierung: Chemische Verfahrenstechnik
Grundlagen
Numerik IChemische
Reaktionstechnik I
Modellierung verfahrenstechnischer Prozesse
Strömungsmechanik
Numerik II
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Universität Stuttgart
Chemische Reaktionstechnik II U. Nieken/U. Tuttlies 6
Chemische Reaktionstechnik III – Industrielle Reaktionstechnik G. Kolios u.a. 3
Vertiefte Grundlagen der technischen Verbrennung A. Kronenburg 3
Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen U. Tuttlies 3
Nichtgleichgewichts-Thermodynamik: Diffusion und Stofftransport J. Groß 3
Polymer-ReaktionstechnikTeil 1: Mechanismen und PraktikumTeil 2: Berechnung und Simulation
J. KerresK.D. Hungenberg
6(3)(3)
Elektrochemische Verfahrenstechnik J. Kerres 6
Elektrochemische Energiespeicher in Batterien A. Friedrich 3
Lithiumbatterien: Theorie und Praxis A. Friedrich 3
Prozessführung und Production IT in der Verfahrenstechnik O. Sawodny, J. Birk 3
Vorlesungsangebot zum SpezialisierungsfachChemische Verfahrenstechnik
Reaktionstechnik
Thermodynamik
Polymere
Elektrochemische Verfahren
Regelungstechnik
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Universität Stuttgart
Chemische Reaktionstechnik IIGrundlagen mehrphasiger Systeme, Versuche,
Simulation
Chemische Reaktionstechnik IIIVertieftes Verständnis, Praxis
Abgasnachbehandlung in FahrzeugenÜbersicht, Praxis
Vertiefte Grundlagen der technischen Verbrennung, Theorie, Grundlagen
Reaktions-technik
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Universität Stuttgart
Polymerreaktionstechnik IGrundlagen, Basiswissen, Praktikum
Polymerreaktionstechnik IIBerechnungsmethoden, Modellierung und Simulation
Polymere
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Universität Stuttgart
Elektrochemische VerfahrenstechnikÜbersicht, Theorie Elektrochemie
Elektrochemische Energiespeicherung in BatterienSpezialvorlesung zu aktuellem Thema
Lithiumbatterien: Theorie und PraxisSpezialvorlesung zu aktuellem Thema
Elektro-chemische Verfahren
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Universität Stuttgart
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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Universität Stuttgart
Institut für Chemische Verfahrenstechnik