Experimentelle und theoretische Untersuchungen der Trennleistung einer neuartigen modularen Mikrodestillationsanlage

Für viele Produktionsprozesse bietet die Mikroverfahrenstechnik neue kostengünstige, energie-effiziente und vor allem sichere Synthesewege. Hierbei sind insbesondere für eine effiziente Bioenergieerzeugung und in der Pharmaindustrie relevante Beiträge zu erwarten.

Grundlegende Bausteine wie Mikroreaktoren, Mikromischer, Mikrowärmetauscher wurden als brauchbar erwiesen und sind bereits auf dem Markt vorhanden. Hingegen besteht bei der Entwicklung von Mikrotrennverfahren (Destillation, Extraktion) noch Forschungsbedarf.

Im Rahmen dieser Arbeit werden experimentelle und theoretische Untersuchungen durchgeführt, um die Trennleistung einer neuartigen modularen membrangestützten Mikrodestillationsanlage zu bewerten. Das Prinzip der entworfenen und aufgebauten Vorrichtung beruht auf die Überlagerung zweier Konzepten: die flüssigen und gasförmigen Phasen werden in getrennten Mikrokanälen geführt und über eine poröse hydrophobe bzw. oleophobe Membran verbunden. Der Stofftransport erfolgt somit nach dem Membrandestillationskonzept.

Erster Schwerpunkt dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung des Einflusses sowohl der Betriebsparameter als auch der Membraneneigenschaften auf die Leistung der Mikrodestillationsanlage hinsichtlich der Permeabilität und Selektivität der Membran. Des Weiteren soll der entsprechende Betriebsbereich (Belastungsbereich) identifiziert werden.

Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit besteht darin, ein detailliertes Transportmodell zu formulieren und die an den Stofftransportvorgängen beteiligten Transportmechanismen herauszufinden. Hierzu werden zunächst experimentelle Messungen für reine Komponenten-Systeme (Methanol / Stickstoff, Wasser / Stickstoff) durchgeführt. Ausgehend davon werden Ausgangswerte für Transportkoeffizienten ermittelt und im erstellten Transportmodell eingeführt. Anschließend werden experimentelle Ergebnisse für das Gemisch-System (Methanol-Wasser / Stickstoff) anhand des implementierten Modells erläutert um die relevanten Transportmechanismen zu identifizieren. Schließlich wird die Trennleistung der Mikrodestillationsanlage anhand des NTU-Konzepts bewertet.