Prof. Dr. R.N. Lichtenthaler                     Forschung
 


Phasengleichgewichte und thermodynamische Exzessgrößen
 

Reaktions- und Stofftrennverfahren sind in der Industrie von allergrößter Bedeutung. Zur optimalen Auslegung dieser Prozesse ist die genaue Kenntnis der Phasengleichgewichte und der thermodynamischen Zustandsgrößen notwendig. Der zeitliche und finanzielle Aufwand für die experimentelle Ermittlung dieser Daten ist, vor allem bei Mehrkomponentensystemen, derart groß, dass eine Vorausberechnung mit Hilfe der molekular-statistischen Theorien der Mischphasenthermodynamik angestrebt wird. Zur Überprüfung und Weiterentwicklung theoretischer Ansätze sind sehr genaue Daten über große Bereiche von Druck, Temperatur und Zusammensetzung unerläßlich. Entsprechende Präzisionsexperimente und die Entwicklung theoretisch fundierter Modellansätze sind das Ziel der Arbeiten. Zu den vorhandenen Apparaturen gehören ein Hochdruckströmungskalorimeter, mit dem Mischungs- und Reaktionsenthalpien von 0 °C bis 150 °C und Drücke bis zu 15 MPa gemessen werden können, sowie Apparaturen zur Messung von PVT-Daten reiner Stoffe und Mischungen bis zu Drücken von 30 MPa und Meßeinrichtungen zur Bestimmung von Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichten bei Drücken bis zu 4 MPa.

Diese Experimente werden ergänzt durch molekular-statistische Störungsrechnungen zur Voraussage thermodynamischer Stoffgrößen und Eigenschaften einfacher molekularer Systeme und durch die Entwicklung von verbesserten Zustandsgleichungen und Gruppenbeitragsmodellen zur Beschreibung des Verhaltens und der Eigenschaften von Flüssigkeiten und flüssigen Mischungen komplizierter molekularer Systeme (z.B. Polymerlösungen, Mischungen mit stark polaren Komponenten). Assoziationstheorien zur Beschreibung von H-Brücken bildenden Systemen (Alkohole, Amine und deren Mischungen) werden entwickelt (sog. ERAS-Modell) und auf thermodynamische Exzeßgrößen angewendet.

Im Bereich der Mischphasenthermodynamik werden folgende Themen bearbeitet:

  • Experimentelle Bestimmung von Mischungsenthalpien und -volumina von Kohlenwasserstoffgemischen mit Benzinadditiven
  • Assoziationsmodelle zur Beschreibung des thermodynamischen Verhaltens von Systemen, die Wasserstoffbrücken bilden (Alkohole, Ether, Amine und deren Mischungen)
  • Exzessgrößen von wässrigen Mischungen mit halogenierten Kohlenwasserstoffen
  • Molekulare Thermodynamik von Phasengleichgwichten fluider Stoffe

Stofftrennung durch nichtporöse Membranen (Zusammenarbeit mit Dr. Claudia Staudt-Bickel)
 

Ziel der gemeinsamen Arbeiten ist die Weiterentwicklung und der Einsatz von Membrantrennverfahren, deren Trennwirkung auf dem Lösungs-Diffusions-Mechanismus in einer nichtporösen Membran beruht. Abb. 1 zeigt die schematische Darstellung eines solchen Verfahrens.

Abb. 1  Prinzip der Stofftrennung mit einer nichtporösen Membran

Dabei wird ein gasförmiges, dampfförmiges oder flüssiges Gemisch als Feed einer Membrantrenneinheit zugeführt, in der die Aufspaltung in zwei Stoffströme erfolgt. Im Permeat sind die bevorzugt durch die Membran permeierenden Stoffe angereichert, während diese im Retentat abgereichert sind. Die Trennung erfolgt somit durch unterschiedliche Löslichkeit und Diffusionsgeschwindigkeit der einzelnen Komponenten im Membranmaterial. Die treibende Kraft für den Stofftransport durch die Membran ist die Differenz des chemischen Potentials der permeierenden Komponenten zwischen Feed- und Permeatseite. Verfahrenstechnisch wird diese Differenz meistens durch niedrigen Druck auf der Permeatseite realisiert. 

Mittlerweile vorliegende Daten einiger Membranen für die Gastrennung bzw. Pervaporation (flüssiger Feed) haben deutlich gezeigt, dass die Trennschärfe solcher Membranen so gut ist, dass in einstufigen Anlagen Gas- und Flüssigkeitsgemische energie- und kostengünstig auf technisch erforderliche Reinheitsgrade aufgearbeitet werden können. Bei der Aufbereitung von Abluft und Abwässern wird der Einsatz von Membrantrennverfahren unumgänglich sein. 
Neben der gezielten Synthese von für bestimmte Trennprobleme geeigneten Membranpolymeren sind unsere eigenen Arbeiten ausgerichtet auf die Entwicklung und den Einsatz experimenteller Verfahren und theoretischer Ansätze zur Ermittlung bzw. Vorausberechnung derjenigen physikalisch-chemischen Stoffdaten, die bei der Auslegung von Membranverfahren zur bestmöglichen Anpassung von Membranmaterial und abzutrennenden Komponenten notwendig sind. Systematische Untersuchungen der Löslichkeit und Diffusion von Flüssigkeiten und Gasen in solchen Polymeren stehen dabei im Vordergrund, die als Membranmaterial in Frage kommen. Zudem werden umfangreiche Permeationsexperimente bei den verschiedensten Betriebsbedingungen für technisch interessante Gemische mit Testmembranen durchgeführt. In direkter Zusammenarbeit mit der Industrie wird die Anwendbarkeit der Membrantechnik auf spezielle, technische Trennprobleme untersucht und vorangetrieben. Anhand der erarbeiteten Daten werden Modelle zur Beschreibung des Stofftransportes durch die Membran entwickelt und die entsprechenden Computerprogramme erstellt, mit denen die bei der Auslegung einer Membrantrennanlage benötigten Stoffströme berechnet werden können. 

Im einzelnen werden dazu folgende Themen bearbeitet:

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