Ziel der Entwicklung
Hochtemperaturreaktionen können oft nur unzureichend untersucht werden und sind deshalb schwer bilanzierbar, weil unter den extremen Temperaturen nur wenige spektroskopische Methoden zur direkten Untersuchung der Matrix bzw. der Reaktanden eingesetzt werden können. Deshalb wird in den meisten Fällen über die Produktbilanz oder durch gezielte Untersuchung des Einflusses von Temperatur und Variation der Eduktkonzentration versucht, Aktivierungsparameter zu ermitteln und Aussagen zum Mechanismus abzuleiten.
Neue Fragestellungen auf dem Gebiet der Hochtemperaturtechnik zielen auf die Untersuchung von chemischen Reaktionen an den Materialoberflächen und porösen Feststoffen bei hohen Temperaturen sowie auf thermogravimetrische Messungen ab.
Basierend auf diesen Tendenzen war das Ziel des Vorhabens die Entwicklung von Messmethoden und Messanordnungen zur Untersuchung von Hochtemperaturprozessen für verschiedene Anwendungen und Fragestellungen, mit denen das Verhalten von Feststoffen bei hohen Temperaturen sowohl thermogravimetrisch als auch stofflich untersucht werden kann. Das Konzept für die Anordnungen orientiert sich an den konkreten Fragestellungen aus der chemischen Industrie, so dass eine Optimierung der technischen Prozesse ermöglicht wird.
Für die Untersuchung der Prozesse und die Gewinnung der notwendigen Daten für die Auslegung von Verfahren wurde ein Baukastensystem entwickelt, mit dem verschiedene Hochtemperaturöfen mit speziellen Wägeeinrichtungen und chemischen Analysenmethoden sowie einer Auswerteroutine kombiniert werden können. Durch die effektive Verknüpfung dieser Teilkomponenten und die Zusammenführung und rechentechnische Verknüpfung der unterschiedlichen Messsignale konnte für die jeweiligen Prozesse ein umfangreicher Datenpool ermittelt werden, auf dessen Basis die Prozessoptimierung erfolgen kann.
Basierend auf diesen Daten können einerseits Materialien (z.B. Legierungen, Kohlenstoffmaterialien) charakterisiert und andererseits die technischen Verfahren optimiert und die Prozessbedingungen für die Herstellung neuartiger Materialien mit spezifisch definierten Eigenschaften ermittelt werden.
Vorteile und Lösungen
Kunden- und Umweltanforderungen:
Diese im Rahmen des Vorhabens entwickelten Anordnungen und Methoden können auf spezielle Anforderungen, Messaufgaben oder Prozesse der Kunden zugeschnitten werden. Damit sind genau die für den entsprechenden Anwendungsfall notwendigen spezifischen Daten generierbar.
Die Anordnungen können beispielsweise für folgende Messaufgaben eingesetzt werden:
- Bestimmung der Koksbildungsgeschwindigkeiten bei der Pyrolyse von Ethan bzw. Naphtha im Temperaturfenster von 800 bis 1150 °C,
- Chemische Modifizierung von Naturmaterialien durch Veresterung unter Verwendung von Harnstoff als Wasser-Bindemittel,
- Regeneration von Adsorbentien mit Bestimmung der Art der desorbierten Stoffe und Restbeladung,
- Dampftrocknung von Mais- und Roggengranulaten bei 200 °C und bis zu 10 bar Druck und
- Untersuchung von Redoxprozessen bei Temperaturen über 250 °C.
Basis dieser Untersuchungen bzw. Technologieentwicklungen sind die Ermittlung der physikalischen, chemischen, kinetischen und thermischen Eigenschaften von porösen, nanoskaligen und massiven Festkörpern in den speziellen Anordnungen.
Für die Optimierung von Hochtemperaturprozessen sind die entwickelten Bestimmungs- und Messverfahren notwendig. Basierend auf diesen Daten könnten dann die technischen Verfahren optimiert und die Prozessbedingungen für die Herstellung neuartiger Materialien mit spezifisch definierten Eigenschaften festgelegt werden.
Die entwickelten Methoden sind für:
- Hersteller von Metallen und Legierungen für den Hochtemperaturanlagenbau,
- Hersteller und Betreiber von Hochtemperaturreaktoren und Trocknungsanlagen,
- Katalysatorhersteller,
- Ingenieure, Planer und Verfahrenstechniker
von Bedeutung.
Eine Optimierung von Verfahrensparametern hat signifikanten Einfluss auf die Standzeit von Anlagen, deren Wirkungsgrad und damit letztendlich auf die Verfahrenskosten.
Vorteile gegenüber den bisher auf dem Markt befindlichen Erzeugnissen:
Durch die neu entwickelten Anordnungen werden aufgrund der Automatisierung der Dosierung der Eduktströme und Prozessbedingungen bei gleichzeitigem verringertem Zeitaufwand wesentlich genauere Daten gewonnen. Durch eine Verknüpfung von Masse-Zeit-Funktionen mit analytischen Methoden werden direkte prozessabhängige Produktanalysen ermöglicht und liefern exakte Aussagen zum Prozessverlauf/ Reaktionsablauf.
Zielgruppe und Zielmarkt
Diese auf spezielle Anforderungen, Messaufgaben oder Prozesse zugeschnittenen Anordnungen sollen entweder an entsprechende Kunden verkauft oder mit dieser direkt am INC Auftragsmessungen durchgeführt werden.
Der Bedarf für Methoden, wie sie im Projekt entwickelt wurden, wird als umfangreich eingeschätzt.
Die während der Vorhabensbearbeitung generierten Ergebnisse und gesammelten Erfahrungen sollen im Rahmen weiterer Forschungsprojekte angewendet und vertieft werden. So sind Forschungsprojekte zur Entwicklung von modifizierten porösen Materialien und zur Katalysatorentwickung geplant.
