Hintergrund und Motivation

Die dramatischen Auswirkungen des Klimawandels werden mehr und mehr deutlich. Um die Konsequenzen zu begrenzen, gilt es den anthropogenen CO₂-Ausstoß dramatisch zu reduzieren. Eine große Quelle ist der Transportsektor, der aktuell die Hälfte der weltweiten Erdölförderung verbraucht. Flüssige Treibstoffe mit ihrer hohen Energiedichte werden hierbei in bestimmten Sektoren (z. B. Schwerlastverkehr und Flugverkehr) auch in Zukunft nur sehr schwer durch E-Mobilität oder Wasserstoff ersetzbar sein. Die sogenannten Power-to-Fuel-Prozesse sind ein Weg, auch diese Sektoren CO₂-neutral zu gestalten. Ein vielversprechender Prozess ist dabei die Umwandlung von regenerativ gewonnenem Wasserstoff und Kohlenmonoxid in langkettige Kohlenwasserstoffe mittels der Fischer-Tropsch-Synthese. Das erhaltene Rohprodukt muss jedoch noch in geeignete Schnitte (Benzin, Diesel, Kerosin etc.) aufgearbeitet werden. Für dezentrale kleine Anlagen an den Standorten regenerativer Energien gilt es diesen Prozess effizient zu gestalten. Die Rektifikation des Rohprodukts ist hierbei ein entscheidender Teilschritt.

In den letzten Jahren hat die additive Fertigung die Möglichkeiten der Fabrikation stark erweitert. Insbesondere in der Verfahrenstechnik werden so neue Apparate, die an gewünschte Funktion optimal angepasst sind, möglich. Beispielhaft sei hier auf die am IMVT entwickelten Strömungsleitelemente verwiesen. Diese Möglichkeiten sollen nun genutzt werden, um eine neue kompakte Rektifikationsapparatur zu entwickeln. Inzwischen wurden die ersten Apparate gedruckt und erfolgreich getestet. In Abbildung 1 sind beispielhaft einige dieser Apparate zu sehen. Das Design der Apparate soll nun weiter hinsichtlich der Trennleistung und der Prozessintegration optimiert werden.

Abbildung 1: Gedruckte Mikrostrukturierte Rektifikationsapparate. a) Draufsicht b) Verschiedene geometrische Variationen der Apparate.

Forschungsthemen und Aufgaben der Arbeit

Im Rahmen der Arbeit sollen weitere Apparatevariationen getestet und charakterisiert werden. Dazu sollen diese Strukturen mit bekannten Zweikomponentengemischen, beispielsweise Cyclohexan / Heptan, hinsichtlich der erreichten theoretischen Trennhöhe für verschiedene Betriebsparameter charakterisiert werden. Die Strukturen lassen sich mittels mehreren (geometrischen und Druck-) Parametern variieren, daher kann die Arbeit als Teil eine statistische Versuchsplanung umfassen. Eine weitergehende Charakterisierung der Oberfläche (REM-Aufnahmen, Profilometrie) und deren Benetzungseigenschaften (Kontaktwinkel; kapillare Steighöhe) können zur Interpretation der Ergebnisse herangezogen werden.

Aufgaben der Arbeit können sein:

• Druck verschiedener Strukturen mittels selektivem Laserschmelzen;
• Untersuchung zum Einfluss der Druckparameter auf die Oberflächengüte;
• Charakterisierung der Benetzungseigenschaften (kapillare Steighöhe, Kontaktwinkel);
• Charakterisierung der gedruckten Strukturen hinsichtlich der Trenneffizienz;
• Vergleich der Ergebnisse mit bisherigen Systemen z. B. Raschig-Ringe;
• Verbesserung des Designs;
• evtl. einfache Modellierung der Ergebnisse mit bestehenden Modellen.

Der Umfang (Bachelor-, Masterarbeit, HiWi-Tätigkeit oder Praktikum) sowie der Schwerpunkt der Arbeit kann nach Absprache festgelegt werden.

Anfang der Arbeit: sofort
Aufgabensteller: Prof. Dr.-Ing. R. Dittmeyer
Betreuer: M. Sc. F. Grinschek