Systematische experimentelle und theoretische Untersuchung des Betriebsverhaltens von Naturumlaufverdampfern bei niedrigen Betriebsdrücken und Temperaturdifferenzen für Mehrkomponentensysteme (OptiNUV)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Katharina Jasch; Professor Dr.-Ing. Jens-Uwe Repke
• Fachliche Zuordnung: Systemverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566007043

Verdampfung, Rektifikation und Desorption zählen zu den verbreitetsten, verfahrenstechnischen Grundoperationen in allen Bereichen der Prozessindustrie, wobei der Energieeintrag bei Rektifikation und Desorption meist über einen Verdampfer im Sumpf der Kolonne erfolgt. Der Arbeitsbereich der Kolonne sowie die Qualität der thermischen Trennung hängen wesentlich vom Arbeitsbereich des Verdampfers ab. Naturumlaufverdampfer zählen wegen ihres einfachen, pumpenlosen Designs sowie ihrer niedrigen Betriebs- und Investitionskosten zu den meist genutzten Verdampfern, werden jedoch üblicherweise bei größeren treibenden Temperaturdifferenzen betrieben. Aufgrund steigender Energieverknappung und Ressourceneffizienz bietet sich der Betrieb bei geringeren treibenden Temperaturdifferenzen an, um auch Niedrigtemperaturwärme in der Prozesstechnik einsetzen zu können. Bei geringeren Drücken und Temperaturdifferenzen zeigen sich jedoch Instabilitäten. Diese Instabilitäten bzw. Oszillationen verursachen Vibrationen und Druckstöße, die langfristig in mechanischer Ermüdung der Apparate oder Regelungsproblemen resultieren. Hauptziele des Projekts sind die weitere Erschließung ingenieurs-wissenschaftlicher Grundlagen durch die Erarbeitung eines erweiterten Verständnisses grundlegender Phänomene in Naturumlaufverdampfern für Gemische bei niedrigen Drücken und geringen treibenden Temperaturdifferenzen sowie die Erforschung robuster und optimaler Betriebskonzepte von Naturumlaufverdampfern im flexiblen Betrieb. Durch systematische Versuche für Reinstoffe und zwei Gemische (eng- und weitsiedend) sollen aktuelle Wissenslücken bezüglich der Zusammenhänge zwischen Instabilitäten, Betriebs- und Stoffparametern insbesondere bei geringen Drücken und Temperaturdifferenzen weiter geschlossen werden. Im Fokus der Untersuchungen stehen relevante statische und dynamische Instabilitäten in einem Einrohrverdampfer, wie u.a. Ledinegg-Instabilitäten, Geysiering oder Dichte-Wellen-Oszillationen. Weiterhin wird ein dynamisches, druckgetriebenes, robustes und simultan gelöstes Modell eines Naturumlaufverdampfers inklusive Instabilitäten und einer Phasenrelaxation, entwickelt. Ferner wird untersucht, ob der zunächst priorisierte homogene Modellierungsansatz ausreichend ist oder ob ein heterogener Ansatz für die Beschreibung des Betriebsverhaltens erforderlich ist. Mithilfe der aufklärenden Experimente und des validierten Modells erfolgt eine Analyse der Instabilitäten bei unterschiedlichem Siedeverhalten der Gemische. Zuletzt werden mehrdimensionale Stabilitätskarten gezeichnet, um das Betriebsverhalten in Abhängigkeit der variierten Parameter zu visualisieren mit dem Ziel, bisherige Karten um ergänzende Informationen bzgl. Gemischeigenschaften sowie bzgl. des Stabilitätsverhaltens im unteren Betriebsbereich von Naturumlaufverdampfern zu ergänzen. Zum Projektende liegt ein dynamisches Modell eines Naturumlaufverdampfers vor, das mithilfe umfangreicher experimenteller Daten validiert wurde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen