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Chemische Verfahrenstechnik
Prof. Dr.-Ing. U. Nieken Institut für Chemische Verfahrenstechnik
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Chemische Verfahrenstechnik
2
Mathematisch orientiert
naturwissenschaftlich orientiert
wirtschaftlich orientiert
Grundlagen des
Ingenieurs
Automatisierungs- technik
Technologie- management
Technische Kybernetik
Verfahrenstechnik
Fahrzeug- und Motorentechnik
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Chemische Verfahrenstechnik
3
Historische Entwicklung
Arbeitsfelder
Ausbildungsinhalte
Vorlesungsangebot
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Entwicklung der Chemische Verfahrenstechnik
4
Stoffumwandlung durch chemische Reaktion
Bindeglied zwischen Verfahrenstechnik und Chemie
– Scale-up von Labor zu Produktionsmaßstab
Foto:BASF
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Chemische Reaktionstechnik
Chemie: Ausarbeitung Synthese abgeschlossen
Verfahrenstechnik: Produktion größerer Mengen
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Rührkesselreaktor +jN p
Tc j RV
jN
Aufgabe des Ingenieurs: - Apparatebau - Vermischung - Wärmeabfuhr
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Chemische Reaktionen
Chemische Energiespeicher
Pharmakologie: Wirkstoffabbau
im Körper Brennstoff- zellen
KFZ-Abgas- reinigung
Lebensmittel- technik
Biotechnologie
Chemische Industrie
Pharma- Industrie
Halbleiter- herstellung
(Bio-) Polymere
neue Werkstoffe
Arbeitsfelder
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Drei-Wege Katalysator
• M.Sc. Jeremias Bickel (Doktorand)
Beispiel Reaktionstechnik
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TWC functionality
CO2
N2
H2O
HC + O2 CO2 + H2O
CO + O2 CO2
NO + CO CO2 + N2
TWC
λ engine-out (EO) λ tailpipe (TP)
N2 (≈71%)
CO2 (≈14%)
H2O (≈13%)
CO (≈1%)
O2 (≈1%)
NOx (≈0.1%)
HC (≈0.1%)
air
λ-control on-board diagnosis
air mass measurement
fuel injection
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Steady-state conversion λ < 1
oxidant deficiency / reductant excess
λ > 1 reductant deficiency / oxidant excess
narrow operating window
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Extending the operating window: Basic idea
λ < 1 oxidant deficiency / reductant excess
λ > 1 reductant 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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Transient TWC behavior without oxygen storage
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Transient TWC behavior with perfect oxygen storage: Infinite capacity, infinite storage/release rate
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How to examine oxygen storage dynamics: Experimental setup
static mixer graphite gaskets
inlet gas withdrawal + thermocouple
catalyst slice
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Simulation results
Catalyst A Catalyst E
rich lean
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Datum Referent
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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Institut für Chemische Verfahrenstechnik
21.10.2015 17 H. Dubbe, Institutsvorstellung ICVT
Reaktionstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Nieken
Physikalisch-Chemische Verfahren Prof. Dr.-Ing. Ulrich Nieken
Apparate und Anlagentechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Clemens Merten
Polymer- u. Membrantechnik Dr. Jochen Kerres
Partikelbasierte Funktionsmaterialien PD Dr.-Ing. habil. Martin Seipenbusch
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Solare Kühlung
• M.Sc. Marc Scherle (Doktorand)
Beispiel Physikalisch-Chemische Verfahren
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Physikalisch-Chemische Verfahren
21.10.2015 19 H. Dubbe, Institutsvorstellung ICVT
Beispiel: Solare Kühlung mittels Adsorptionsverfahren
p Q .
Q .
p
Regeneration Zyklische
Betriebsweise
Prozesssimulation Detaillierte Beschreibung des Adsorptionsvorgangs
Produktion
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Adsorptionskältemodul
Monolithische AK: Aktivkohlepulver mit keramischem Binder extrudiert
𝑡𝐴𝐴 MAC
Adsorptionskältemodul mit monolithischer Aktivkohle
MeOH (g)
Edelstahlflachrohr
Monolithische Aktivkohle
Wärmeträgerfluid Energie- und Stofftransport
Adsorption Desorption
Beschreibung des Stoff- und Energietransports mithilfe von Massen- und Energiebilanzen Herausforderung: Optimierung der Aktivkohle für die Adsorptionskälteanwendung
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Integriertes Adsorptionskältemodul
R. Burk et.al., Modul für eine Adsorptionswärmepumpe, DE102011079586A1
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Datum Referent
Aufgabe des Ingenieurs: Quantifizierung des Stoff- und Wärmetransportes
Auswahl geeigneter Materialien Design der Wärmepumpe
dynamische Simulation und Optimierung der Wärmepumpe
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Flüssigkeitsbatterie
• M.Sc. Jiabing Xia (Doktorand)
Beispiel Physikalisch-Chemische Verfahren
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04.12.2017 REDBP Intro 24
EDBP (Charging) Electricity
NaCl
NaOH HCl
REDBP (Discharging)
HCl NaOH
HCl Storage
NaOH Storage
NaCl
Electricity
Salt Water
Funktionsprinzip
Challenges Plan
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04.12.2017 REDBP Intro 25
+
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AEM BP CEM
NaCl
(a) (b)
(c) (d)
Challenges Plan
Membrane
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04.12.2017 REDBP Intro 26
Challenges Plan
Aufbau eines Stacks
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• 5 x 5 cm2 Working Cell
27
1 2 3 4 5 6
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Datum Referent
Aufgabe des Ingenieurs: Grundlagen Elektrochemie
Aufbau und Betrieb Prototyp Optimierung des Aufbaus
Auswahl und Bewertung der Membran
Simulation der Leistungsverluste
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Institut für Chemische Verfahrenstechnik
21.10.2015 29 H. Dubbe, Institutsvorstellung ICVT
Reaktionstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Nieken
Physikalisch-Chemische Verfahren Prof. Dr.-Ing. Ulrich Nieken
Apparate und Anlagentechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Clemens Merten
Polymer- u. Membrantechnik Dr. Jochen Kerres
Partikelbasierte Funktionsmaterialien PD Dr.-Ing. habil. Martin Seipenbusch
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Thermodynamik von Mischungen
Spezialisierung: Chemische Verfahrenstechnik
Grundlagen
Numerik I Chemische
Reaktionstechnik I
Modellierung verfahrenstechnischer Prozesse
Strömungsmechanik
Numerik II
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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-Reaktionstechnik Teil 1: Mechanismen und Praktikum Teil 2: Berechnung und Simulation
J. Kerres K.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 Spezialisierungsfach Chemische Verfahrenstechnik
Reaktionstechnik
Thermodynamik
Polymere
Elektrochemische Verfahren
Regelungstechnik
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Chemische Reaktionstechnik II Grundlagen mehrphasiger Systeme, Versuche, Simulation Chemische Reaktionstechnik III Vertieftes Verständnis, Praxis Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen Übersicht, Praxis Vertiefte Grundlagen der technischen Verbrennung, Theorie, Grundlagen
Reaktions-technik
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Polymerreaktionstechnik I Grundlagen, Basiswissen, Praktikum Polymerreaktionstechnik II Berechnungsmethoden, Modellierung und Simulation
Polymere
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Elektrochemische Verfahrenstechnik Übersicht, Theorie Elektrochemie Elektrochemische Energiespeicherung in Batterien Spezialvorlesung zu aktuellem Thema Lithiumbatterien: Theorie und Praxis Spezialvorlesung zu aktuellem Thema
Elektro-chemische Verfahren
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35
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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Institut für Chemische Verfahrenstechnik