Additive Fertigung strukturierter Stoffaustauschpackungen
Beschreibung
Strukturierte Packungen finden in industriellen Prozessen Anwendung in Trennkolonnen zur Zerlegung von Stoffgemischen. Die Fertigungsprozesse sind dabei so gestaltet, dass insbesondere strukturierte Packungen für Kolonnen mit mehreren Metern Durchmesser hergestellt werden können.
Sollen hingegen Packungen im Labormaßstab oder für Pilot-Anlagen mit Durchmessern kleiner 200 mm hergestellt werden, besteht die Schwierigkeit darin, dass die Fertigung in kleinen Dimensionen meistens nur manuell durchgeführt werden kann und der dadurch entstehende Aufwand in keinem sinnvollen Verhältnis zu den Materialkosten steht. Darüber hinaus treten für konventionelle Packungsstrukturen bei geringen Kolonnendurchmessern Effekte wie Randgängigkeit und Wärmeverluste überproportional stark auf. Auch der Einsatz von Laborfüllkörpern mit geringen Nenngrößen bietet hier keine zufriedenstellende Lösung.
Durch die herkömmlichen Fertigungsprozesse ist die Standardgeometrie strukturierter Packungen größtenteils auf die schichtweise Anordnung gewellter Bleche beschränkt. Mit der immer weiter voranschreitenden Entwicklung in den Bereichen additive Fertigung und Rapid Prototyping soll im Rahmen dieses Forschungsvorhabens eine neuartige Packungsstruktur entwickelt werden. Dabei bietet der Einsatz additiver Fertigungsverfahren deutlich mehr Freiheiten bei der Gestaltung der Struktur.
Am Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik wurde eine Packungsstruktur auf Basis von Kristallgitterstrukturen entwickelt. Im Rahmen der Strukturentwicklung werden dabei Grenzen bezüglich der genutzten Fertigungsverfahren und des Einsatzzwecks berücksichtigt. Als Fertigungsverfahren werden Selektives Lasersintern und Stereolithographie eingesetzt. Des Weiteren werden CFD-Simulationen zur Vorhersage des Druckverlusts und des Fließverhaltens der Flüssigkeit innerhalb der Packungsstruktur durchgeführt.
Für den Einsatz in einer Versuchsanlage zur Rektifikation mit dem Stoffsystem Cyclohexan / n-Heptan wurden erste vielversprechende Packungsstrukturen additiv gefertigt. Erste Versuchsergebnisse zeigen, dass die Trennleistung dieser Prototypen bereits in derselben Größenordnung wie die von konventionellen Packungen mit vergleichbarer geometrischer Oberfläche liegen. In fortlaufenden Arbeiten werden der Einfluss der Geometrieparameter auf die Trennleistung sowie weitere neuartige Strukturen untersucht.
