Projekte

Chemische Reaktionstechnik

Hydrierung von wässrigen Zucker-Lösungen aus nachwachsenden Rohstoffen

Chemikalien werden derzeit zum Großteil auf Basis fossiler Rohstoffe wie Erdöl oder Erdgas hergestellt. Wegen der damit verbundenen hohen CO2-Emissionen werden alternative, nachhaltige Prozesse auf Basis nachwachsender Rohstoffe wie Zuckern, Zuckeralkoholen, Ölen und Lignocellulose zunehmend attraktiver. Ein Beispiel für einen solchen nachhaltigen Syntheseweg ist die Herstellung von Polyolen aus Zucker-Lösungen. Diese werden in der Polymerchemie eingesetzt und dienen als Ausgangsstoff für diverse Kunststoff(zwischen-)produkte. Zudem dienen bestimmte Polyole auch als Enteisungsmittel in der Luftfahrt. Einige kurzkettige Polyole weisen gute emulgierende Eigenschaften auf und sind deshalb hervorragende Träger für Farbstoffe, Antioxidantien und Enzyme in der chemischen, pharmazeutischen, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie.
Im Rahmen dieses Projektes soll ein Verfahren zur Hydrierung wässriger Zucker-Lösung zur Polyol-Herstellung entwickelt werden. Neben der von Kooperationspartnern durchgeführten Auswahl eines geeigneten Katalysators sind die Festlegung der Reaktionsbedingungen und die Entwicklung einer geeigneten Analysenmethode für die komplexe Produktmischung sowie die Berücksichtigung der Phasengleichgewichte im Reaktor Gegenstand der Arbeiten. Zur Bestimmung der Reaktionskinetik werden systematische Versuche bei Drücken bis zu 120 bar an einem pulverförmigen Hydrierkatalysator in einem Rührkesselreaktor durchgeführt.

Ansprechpartner: Carina Kirstein, M. Sc.

Methanisierung von Kohlenstoffoxiden unter instationären Bedingungen

Die Methanisierung von Kohlenstoffoxiden (CO, CO2) mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff zu synthetischem Erdgas (SNG) wird momentan intensiv als Möglichkeit zur stofflichen Energiespeicherung diskutiert. Dieses Konzept wird auch als „Power-to-Gas“ bezeichnet. Die Synthese von SNG wird in der möglichen Prozesskette durch den instationär anfallenden Wasserstoff begrenzt, weshalb Fragestellungen zum instationären Betrieb der Methanisierung unter verschiedenen Aspekten zu untersuchen sind. Sowohl die Reaktionstechnik als auch die Anlagentechnik wird durch die instationäre Betriebsführung vor neue verfahrenstechnische Herausforderungen gestellt. Im Bereich der Reaktionstechnik müssen instationäre Reaktionsabläufe und Sorptionsprozesse untersucht werden und robuste Katalysatoren für den instationären Betrieb entwickelt werden. Im Bereich der Anlagentechnik müssen die Parameter für die Auslegung von anforderungsgerechten Reaktoren mit entsprechender Peripherie erarbeitet werden. Die Betrachtung des Themenkomplexes erfolgt ganzheitlich durch Versuche, Modellierung und Methoden der Konstruktionstechnik.

Ansprechpartner: Bjarne Kreitz, M. Sc.

Mikro- und milli-strukturierte Festbettreaktoren

Heterogen katalysierte Gasphasenreaktionen, zu denen beispielsweise die Herstellung von Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid oder Acrolein zählen, weisen eine sehr starke Wärmetönung auf. Großtechnisch werden diese Reaktionen in Rohrbündelreaktoren durchgeführt, die bis zu 30.000 Einzelrohre enthalten, in denen sich das katalytische Festbett als regellose Schüttung befindet. Durch die limitierende Wärmeabfuhr in radialer Festbettrichtung bilden sich jedoch axiale Temperaturprofile mit Hot-spots aus, die zu einer Reduzierung der Reaktoreffektivität führen. Eine signifikante Erhöhung der Wärmeabfuhrleistung kann durch eine Reduzierung der Abmessungen hin zu mikro- und milli-strukturierten Festbettreaktoren erreicht werden, wodurch sich die spezifische Oberfläche für die Wärmeabfuhr erhöht und die charakteristische Länge für die radiale Wärmeleitung durch das Festbett verringert.
Im Rahmen dieses Projektes wird diese Form der Prozessintensivierung am Beispiel der selektiven Oxidation von n-Butan zu Maleinsäureanhydrid an Vanadiumphosphat-Katalysatoren untersucht. Der Fokus der Untersuchungen liegt dabei auf der optimalen Gestaltung der Reaktionskanäle eines mikrostrukturierten Festbettreaktors im Hinblick auf eine hohe Ausbeute des Wertproduktes bei möglichst geringem Druckverlust. Hierfür sollen an ebenen Reaktionskanälen mit unterschiedlichen Abmessungen Versuche bei unterschiedlichen Butankonzentrationen und Strömungsgeschwindigkeiten unter Einsatz von verschiedenen Katalysatorfraktionen durchgeführt und mithilfe eines geeigneten mathematischen Reaktormodells ausgewertet werden.

Ansprechpartner: Mauritio Müller, M. Sc.

Untersuchung von Hochtemperatur-Reaktionen in einem Fallrohr-Reaktor (Downer)

Werden Gas-Feststoffreaktionen in einer zirkulierenden Wirbelschicht durchgeführt, so weist der zurzeit häufig eingesetzte Riser durch ein Absinken von Feststoff an der Wand eine Rückvermischung auf, aus der eine breite Verweilzeitverteilung resultiert. In einem Fallrohr (Downer) hingegen ist die Rückvermischung aufgrund des Zusammenwirkens von Gravitation und Strömungsrichtung minimiert und es kann nahezu eine Pfropfströmungscharakteristik erreicht werden. In einer Versuchsanlage sollen keramische Pulver auf ihr Verhalten in verschiedenen Hochtemperatur-Reaktionen untersucht werden. Bei den Versuchen werden verschiedene Massenströme an Gas- und Feststoff, verschiedene Gase und Temperaturen sowie Gasgeschwindigkeiten eingestellt und untersucht. Zur Auswertung der Versuche und im Hinblick auf die Maßstabsvergrößerung wird außerdem ein mathematisches Modell für den Fallrohr-Reaktor entwickelt.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Thomas Turek

Heterogenkatalysierte Reaktivextraktion zur Hydratisierung von Olefinen

Im Rahmen dieses Projektes wird die Reaktivextraktion als eine Möglichkeit zur Prozessintensivierung am Beispiel der Hydratisierung von Propen zu Isopropanol an sauren Ionenaustauscherharzen untersucht. Bei hohem Druck liegt das Reaktionsgemisch in Form einer wässrigen und einer organischen Phase vor, wobei in der wässrigen, den festen Katalysator benetzenden Phase die Reaktion abläuft und das Produkt simultan in die organische Phase extrahiert wird. In einer Labor-Reaktivextraktionskolonne, welche mit einer strukturierten Packung für den Katalysator ausgestattet ist, sollen unter anderem der Einfluss der Strömungsrichtungen, der Verweilzeiten und des Hold-up der beiden Phasen sowie das Benetzungs- und Strömungsverhalten der Packung ermittelt werden. Zudem soll ein bereits entwickeltes mathematisches Modell des Verfahrens experimentell validiert werden.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kunz

Katalysatoren und Reaktoren für die Fischer-Tropsch-Synthese

 Gefördert durch:


Die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) ist eine seit langem bekannte Reaktion zur Herstellung von flüssigen Kohlenwasserstoffen aus Synthesegas, die gegenwärtig durch die Aktivitäten zum Bau von Anlagen zur Umwandlung von Erdgas ("Gas-to-Liquid") eine Renaissance erlebt. Das ICVT arbeitet seit 2005 auf dem Gebiet der FTS und widmet sich verschiedenen Fragestellungen in Bezug auf Katalysatoren und Reaktoren für die Tieftemperatur-Synthese. Ein Themenkomplex ist die Untersuchung der Eignung von strukturierten Katalysatoren und Reaktoren. Dafür wurden wabenförmige Katalysatorstrukturen und mikrostrukturierte Festbettreaktoren als Alternative zu herkömmlichen Reaktorkonzepten untersucht. In den aktuellen Projekten liegt der Fokus auf der Strukturierung von Katalysatoren im Maßstab unter 1 µm. Zum einen soll der Einfluss der Porenstruktur auf die Aktivität und die Produktzusammensetzung untersucht werden. Dafür wird gezielt eine hierarchische Porenstruktur erzeugt und deren Einfluss unter Synthesebedingungen bestimmt. Zum anderen sollen bi-funktionale Katalysatoren hergestellt und beurteilt werden, welche eine Aktivität sowohl für die FTS, als auch die Produktaufarbeitung aufweisen. Für die Untersuchungen stehen zwei Versuchsanlagen und geeignete Analytik zur Verfügung.

Ansprechpartner: Matthias Klee, M. Sc.

Elektrochemische Verfahrenstechnik

Die bio-elektrochemische Brennstoffzelle als Baustein einer energieerzeugenden Abwasserbehandlungsanlage

 Gefördert durch: ERWAS Verbundprojekt


Ziele des Teilprojektes am Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik (ICVT):

  • Auswahl von Materialien und Materialkombinationen zur Herstellung von Elektroden
    Hier sollen bevorzugt Kohlenstoff-Polymer-Verbundmaterialien zum Einsatz kommen, die vom Kooperationspartner Eisenhuth GmbH hergestellt werden. Diese sind mit Methoden der Kunststofftechnik auch in größeren Stückzahlen herstellbar.Sie werden am ICVT hinsichtlich Eignung für Bio-Brennstoffzellen bewertet.
  • Auswahl und Verarbeitung von Katalysatoren bzw. deren Vorläufern zu katalytisch aktiven Schichten
    Es sollen die am Institut vorhandenen Beschichtungsmethoden, insbesondere ein Naßsprühverfahren zum Einsatz kommen. Auch die Möglichkeiten, Kohlenstoff-Polymer-Verbundmaterialien mit solchen Stoffen zu belegen, an denen Biofilme aufwachsen können, sollen untersucht werden.
  • Betrieb von Testzellen in einem Brennstoffzellenteststand
    Diese Arbeiten sollen dazu dienen, gemeinsam mit den Projektpartnern geeignete Materialien/Materialkombinationen und Betriebsweisen von Testzellen-Prototypen zu entwickeln, die Ausgangsbasis für den Pilotmaßstab sein können.


Ansprechpartner: MSc Bolong Jiang

Radikalische Abwasserreinigung - RADAR

 Gefördert durch:


Zahlreiche organische Verbindungen wie Arzneimittelrückstände finden sich im kommunalen Abwasser wieder und können nur unzureichend durch die Biologie der Kläranlagen abgebaut werden. Darüberhinaus fallen in vielen Prozessen der chemischen Industrie Prozesswässer als Abfallprodukt an, die mit organischen Verbindungen belastet sind. 
Um die Spurenstoffe aus den Wässern zu entfernen wird im RADAR-Projekt (Radikalische Abwasserreinigung) erstmals ein elektrochemisches Abwasser-behandlungskonzept in einer skalierbaren Form entwickelt und bis zum Demonstrationsmaßstab umgesetzt. Grundlage bildet die Kombination einer bordotierten Diamantelektrode und einer Gasdiffusionselektrode, um simultan an beiden Elektroden hoch oxidative Spezies zur Wasser-aufreinigung zu erzeugen. Darüberhinaus werden Hilfselektroden untersucht, die zur Vermeidung von Scaling insbesondere an der Kathode führen sollen.

Im Teilprojekt des Instituts für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik erfolgen die elektrochemische Bewertung von Elektroden und die Identifikation der technischen Randbedingungen eines zu entwickelnden Elektrolyseurs. Es werden Gasdiffusionselektroden des Projektpartners Covestro AG, Diamantelektroden der Firma Condias GmbH sowie Hilfselektroden der Firma Eisenhuth GmbH bewertet. Die verfahrenstechnischen Bewertungen erfolgen in Laborreaktoren hinsichtlich des Abbaus schwer abbaubarer Verbindungen und des Entkalkungspotentials.

Ziel ist die Identifikation der günstigsten Elektrodenmaterialkombination und der dazu passenden verfahrenstechnischen Betriebsweise, die für die technische Realisierung einer neuartigen elektrochemischen Schadstoffeliminierung geeignet ist.

Ansprechpartner: Thorben Muddemann, M. Sc.

Alkalische Wasserelektrolyse - Untersuchung von Zell- und Elektrodengeometrien

Wegen des starken Ausbaus regenerativer Energien und des intermittierenden und fluktuierenden Anfalls von Wind- und Solarenergie werden Speicher für elektrische Energie auf allen Zeit- und Größenskalen benötigt. Für die langfristige Speicherung besonders großer Energiemengen wird momentan das sogenannte "Power to Gas" - Konzept diskutiert. Hierbei besteht die Idee darin, die aus regenerativen Quellen stammende elektrische Energie in Form von chemischen Verbindungen zu speichern. Eine in Frage kommende Technologie stellt die alkalische Wasserelektrolyse zur Produktion von Wasserstoff dar, der wiederum zur Erzeugung von Methan genutzt werden kann. Diese Form der Wasserelektrolyse wird technisch zwar schon einige Jahrzehnte angewandt, ist allerdings lange nicht mehr weiterentwickelt worden.
Im Rahmen dieses Projektes werden sowohl Zell- als auch Elektrodengeometrien untersucht, die eine Senkung der spezifischen Wasserstofferzeugungskosten versprechen. Neben dem versuchstechnischen Teil wird zudem ein mathematisches Modell zur Analyse der Laborversuche entwickelt.

Ansprechpartner: M.Sc. Philipp Haug, M.Sc. Matthias Koj

DFG-Forschergruppe „Multiskalen-Analyse komplexer Dreiphasensysteme: Sauerstoffreduktion an Gasdiffusionselektroden in wässrigem Elektrolyt“ (FOR 2397)

 Gefördert durch:


Gasdiffusionselektroden (GDE) werden in verschiedenen technisch bedeutsamen elektrochemischen Prozessen eingesetzt. Zu diesen zählen sowohl die Wandlung von chemisch gespeicherter in elektrische Energie, die in Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien erfolgt, als auch die Umkehrung dieser Energiewandlungsprozesse in Form von elektrochemischen Synthesen, wie der Chlor-Alkali-Elektrolyse. In vielen dieser Technologien sind GDE allerdings die limitierenden Komponenten und damit Hauptkostentreiber.

Um die Leistungsfähigkeit von GDE weiter verbessern zu können, ist ein Gesamtverständnis der komplexen Interaktion von Reaktions- und Transportprozessen in den Elektroden notwendig. Zur genauen Erforschung dieser Prozesse werden in der DFG-Forschergruppe Teilprojekte von deutschlandweit sieben Forschungseinrichtungen zusammengeführt.

In der Arbeitsgruppe am ICVT werden Gasdiffusionselektroden (GDE) auf Basis von Silber Pulver hergestellt und mittels unterschiedlicher Methoden charakterisiert. Dieses umfasst zum einen physikalisch-chemische Analysen des Porensystems und zum anderen eine elektrochemische Charakterisierung durch Halbzellenmessungen. Auf Basis dieser Messungen soll qualitativ verstanden werden, wie sich Prozessbedingungen und Elektrodeneigenschaften auf die Überspannung der Sauerstoffreduktion auswirken. Die Ergebnisse aller Teilprojekte sollen zudem dazu genutzt werden, ein mathematisches Modell zur Beschreibung der stationären Überspannung von GDE zu verbessern.

Weitere Informationen finden Sie auf der Webseite der Forschergruppe.

Ansprechpartner: Stefan Brandt, M. Sc., Barbara Ellendorff

Entwicklung von großtechnischen Vanadium Redox-Flow Batterien

Im Zuge der Energiewende werden erneuerbare Energien zu einer immer bedeutenderen Stromquelle. Um der jahres- und tageszeitabhängigen Fluktuation der Stromerzeugung und der Stromnachfrage gerecht zu werden, bedarf es einer effizienten und leistungsfähigen Speichertechnologie, die im industriellen Maßstab kostengünstig anwendbar ist. In diesem Projekt sollen systematisch die Grundlagen für die Auslegung der Vanadium Redox-Flow Batterien geschaffen werden. Dazu gehören Materialcharakterisierungen an den porösen Kohlenstofffilzen, den Bipolarplatten und den Membranen, die Entwicklung eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Vorgänge innerhalb der Batterie, sowie eine daraus resultierende Optimierung der Zellkonstruktion als auch der verfahrenstechnischen Betriebsweise des Gesamtsystems. Komplettiert werden die Untersuchungen durch einen automatisierten Zellprüfstand, an dem Einzelzellmessungen bei verschiedenen Betriebsbedingungen mit integrierter Inline- als auch Online-Analytik durchgeführt werden können und der damit eine Evaluation des mathematischen Modells ermöglicht. Das Projekt wird in Kooperation mit der ThyssenKrupp Industrial Solutions AG durchgeführt.

Ansprechpartner: Katharina Schafner, M. Sc., Isabelle Kroner, M. Sc.

Einsatzmöglichkeiten von porösen Glasmembranen in Redox-Flow-Batterien - Untersuchungen zum Einfluss von Membrandicke, Porenstruktur und Oberflächenmodifizierung

 Gefördert durch:


Bei der Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten von porösen Glasmembranen in Redox-Flow-Batterien kommen zwei vielversprechende Forschungsfelder in einem Gemeinschaftsprojekt des Institutes für Technische Chemie der Universität Leipzig und des Institutes für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik der TU Clausthal zusammen. Redox-Flow-Batterien (RFB) gelten dabei als sehr vielversprechende Kandidaten bei der Suche nach effizienten und zuverlässigen Energiespeichern, während poröse Gläser herausragende Eigenschaften als Membranmaterial speziell für elektrochemische Anwendungen besitzen.

Im Rahmen des beantragten Projektes sollen sowohl native als auch oberflächenmodifizierte bzw. beladene poröse Glasmembranen auf Basis phasengetrennter Alkaliborosilikatgläser mit unterschiedlichen Porenstrukturen auf die Einsatzfähigkeit in Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFB) untersucht werden. Die Membranen werden auf unterschiedliche Weise oberflächenmodifiziert bzw. mit Schwefelsäure oder einem vanadiumsalzhaltigen Elektrolyt beladen.

Der Einfluss der Parameter Porengröße, Porenstruktur, Membrandicke und Oberflächenfunktionalisierung bzw. Beladung auf die Eignung der porösen Glasmembranen als Separator in VRFBs wird dabei erstmals systematisch charakterisiert und evaluiert.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Horst Mögelin

Neuartige großflächige Bipolarplatten im Extrusionsverfahren für Redox-Flow Batterien

 Gefördert durch:


Redox-Flow Batterien sind eine vielversprechende Möglichkeit zur Speicherung von elektrischer Energie aus fluktuierenden erneuerbaren Energien. Momentan wird bei derartigen Batterien mit Bipolarplatten in DIN A4 Größe eine maximale Stackleistung im zweistelligen kW-Bereich erreicht. Dies liegt deutlich unterhalb der Anforderungen, die sich zukünftig aus der Umsetzung der Energiewende ergeben werden. Auf Grund des modularen Aufbaus von Redox-Flow Batterien ist es möglich, durch eine Vervielfachung der existierenden Zellen größere Energiespeicher zu realisieren, allerdings sind die spezifischen Investitionskosten dabei hoch. Eine Alternative zur Bereitstellung einer Leistung im zweistelligen MW-Bereich bietet die wirkliche Maßstabsvergrößerung durch ein Scale-up auf eine aktive Zellfläche von 2 m² bis 3 m². Problematisch ist in diesem Zusammenhang die Fertigung entsprechend großer Bipolarplatten mit den konventionellen Verfahren des Pressens und Spritzgusses, da dabei die an die Bipolarplatte gestellten Qualitätsanforderungen bisher nicht erfüllt werden. Das Forschungsprojekt untersucht deshalb die Fertigung von neuartigen großflächigen und stabilen Bipolarplatten mittels Extrusionsverfahren. Es werden die Eigenschaften der entwickelten Bipolarplatten untersucht und die Entwicklung von Zellgeometrien durch ein mathematisches Modell unterstützt.

Weitere Informationen finden Sie hier.

Ansprechpartner: Eva Prumbohm, M. Sc.

 

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