Entwurf von strukturierten Packungen mittels CFD-basierter Optimierung, Absorptionsexperimenten und Magnetresonanztomographie

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Penn; Professor Dr.-Ing. Mirko Skiborowski
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544956881

Um die Treibhausgasemissionen bis 2050 vollständig zu reduzieren, müssen in der chemischen Industrie bedeutende Transformationen erfolgen. Neben dem Wandel zu erneuerbaren Ressourcen und Energiesystemen müssen insbesondere energieintensive Grundoperationen optimiert werden. Hierbei sind thermische Trennverfahren wie Absorption und Destillation von entscheidender Bedeutung, da diese nicht nur signifikant zum Energiebedarf der chemischen Industrie beitragen, sondern im Rahmen der CO2-Abscheidung auch für die CO2-Nutzung eine wichtige Rolle spielen. Neben der Prozessintensivierung und Maßnahmen zur Energieintegration auf Prozessebene sind Leistungsverbesserungen der Apparate von größter Bedeutung. Strukturierte Packungen gehören dabei zu den wichtigsten Einbauten, die zu einer Verbesserung des Stoffaustauschs und der hydraulischen Leistung von Absorptions- und Destillationskolonnen beitragen können. Während die Auslegung strukturierter Packungen seit fast sechs Jahrzehnten aktiv erforscht wird, erlaubt die additive Fertigung unkonventionelle und topologisch komplexer Packungsstrukturen und stellt ein effizientes Verfahren für die Prototypentwicklung dar. Jedoch sind die bisherigen Auswirkungen auf das Design strukturierter Packungen begrenzt, da die resultierende größere Designfreiheit auch eine erhebliche Herausforderung darstellt. Diese Herausforderung kann durch mathematische Optimierungsmethoden effektiv angegangen werden, indem adäquate Problemformulierungen und Modelle zur Verfügung stehen, mit denen die Leistung der gedruckten Packung in einer realen Anwendung effizient berechnet werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen, verfolgt das aktuelle Projekt die Entwicklung einer optimierungsbasierten Entwurfsmethodik, welche den bi-funktionalen Einsatz von computergestützten Designmodellen für CFD-Simulationen und additive Fertigung nutzt. Letzteres ermöglicht die schnelle Fertigung von Prototypen von Polymerpackungen, die nicht nur in Hydraulik und Absorptionsexperimenten untersucht werden sollen um integrale Leistungsdaten zu erfassen, sondern auch einen grundlegenderen Einblick in die Flüssigkeitsströmung mit Hilfe eines innovativen und weltweit einzigartigen vertikalen Magnetresonanztomographen (MRT) ermöglichen. Die MRT-Experimente werden die lokale Verteilung der Flüssigkeit und des Gases in den 3D-gedruckten strukturierten Packungen zusammen mit den lokalen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten in allen drei Raumrichtungen aufzeigen. Die aus den MRT Experimenten gewonnenen Daten ermöglichen eine gezielte Verbesserung der Simulationsmodelle und damit eine CFD-basierte Optimierung eines individuellen Packungsdesigns, für das verschiedene Modellformulierungen untersucht werden. Dabei werden Form-, Topologie- und parametrische Optimierungsansätze evaluiert werden, um innovative Packungsstrukturen mit signifikanten Leistungsverbesserungen effektiv modellbasiert zu entwickeln und mittels 3D Druck experimentell zu validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen