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> MEMBRANANLAGE / PERVAPORATION
> ADSORPTION
> FEUERUNGSANLAGE
> MESSTECHNIK
| LABOR THERMISCHE VERFAHRENSTECHNIK UND UMWELTTECHNIK |
| Die Geräte und Einrichtungen
des Labors Thermische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik werden für
Praktika im Studiengang Verfahrenstechnik und für die Durchführung
von Diplomarbeiten eingesetzt. Sie können auch für externe Aufgabenstellungen
und Untersuchungen angeboten werden.
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> REKTIFIKATION
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| REKTIFIKATION |
| Die Rektifikation ist das wichtigste thermische
Trennverfahren, zur destillativen Trennung einer Lösung aufgrund der
unterschiedlichen Siedetemperatur der Bestandteile.
Für die Durchführung der Rektifikation besitzt das Labor eine Rektifikationskolonne aus Glas, mit evakuiertem Doppelmantel zur Wärmeisolierung, der Nennweite 50 mm, mit Glockenböden mit je einer Glocke. Die Beheizung erfolgt durch einen elektrisch beheizten Verdampfer im Sumpf und durch einen elektrischen Zulauferhitzer. Die Kühlung von Kondensator, Produkten und einigen Messleitungen erfolgt durch Kühlwasser aus dem Netz. Die Förderung des Zulaufs erfolgt mit einer Zahnradpumpe, deren Förderleistung über einen Frequenz- Umformer möglich ist. Die Förderung des Sumpfproduktes in eine Vorlage geschieht mit einer Membranpumpe. 
Bild 1: Rektifikationskolonne Steuerung und Messtechnik:
Bild 2: Schema im Prozess-Leitsystem Die Konzentrationen von Zulauf und von den Produkten, als Ergebnis der Trennung, können mit einem Refraktometer oder mit einem hochgenauen Dichte-Messgerät bestimmt werden. Im Refraktometer wird der optische Brechungsindex gemessen, der sich mit der Konzen-tration einer Lösung ändert. Das vorhandene Refraktometer ist ein thermostatisiertes Tischgerät. |
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| GEFRIERTROCKNUNG |
| Die Gefriertrocknung (GT) ist ein zwar
teures und langsames , aber sehr schonendes thermisches Konservierungs-Verfahren.
Das Gefriergut wird zunächst gefroren, gekühlt bis ca. –20 °C
und danach getrocknet. Die Trocknung erfolgt durch Sublimation in einer
Kammer bei tiefer Temperatur und im Vakuum. Bei der Sublimation verdampfen
die Eiskristalle aus dem festen Zustand direkt in den dampfförmigen
und verlassen das Gefriergut. Die Dämpfe werden in der Kammer an einer
Kühlschlange, dem Eiskondensator z.B. bei – 50 °C direkt
wieder gefroren ohne flüssig zu werden. Wenn das getrocknete Gefriergut
feuchtigkeits- und luftdicht verpackt wird, kann es ohne Kühlung und
ohne Konservierungsstoffe sehr lange gelagert werden. Dieses Verfahren
erfreut sich zunehmender Verwendung, besonders in der Lebensmittel-, Pharma-
und Bio-Industrie.
Wesentliche Merkmale der GT sind: Große Gewichtsreduktion, weitgehende Erhaltung der Form und des Aussehens, schnelle Wiederaufnahme der ausgetriebenen Flüssigkeit, sehr gute Konservierung bei Raumtemperatur. 
Bild 3: Gefriertrocknungsgerät |
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| MEMBRANANLAGE / PERVAPORATION |
| Das thermische Trennverfahren Pervaporation
(PV) wird durch das selektive Durchgehen (Permeieren) eines Stoffes
einer flüssigen Lösung durch eine Membran und Verdampfen (Evaporation)
auf der abgewandten Seite erzielt. Das Wort Pervaporation wurde gebildet
aus Permeation und Evaporation. Dieses Verfahren ist noch nicht lange in
industrieller Anwendung. Auf der Eintrittsseite der Lösung herrscht
ein Überdruck, z.B. 5 bar und eine mäßig hohe Temperatur,
auf der Dampfseite der Membran muss ein Vakuum vorliegen, z.B. 20 mbar.
Der durchgetretene Dampf des abgetrennten Stoffes wird im Vakuum kondensiert,
bei mäßig tiefe Temperatur, die der Kondensations-Temperatur
bei dem Vakuumdruck entsprecht. Der Trennvorgang über die Membran
findet in einem „Modul“ genannten Gehäuse statt. Die erforderlichen
Membranen sind komplizierte Gebilde, sie sind eine Wissenschaft für
sich, an deren Entwicklung auch namhafte Chemieunternehmen arbeiten. Sie
unterscheiden sich durch geometrischen Aufbau und Form, die verwendeten
Stoffe, und Trennwirkungen. Die Trennwirkung kann auf Molekülgröße
oder Lösungsvermögen bzw. Affinität des permeierenden Stoffes
zum Trennfolienmaterial beruhen.
Die Konzentrationen des Zulaufs und der Produkte können wie bei der Rektifikation durch Messung der Dichte oder des Brechungs-Indexes ermittelt werden. Eine typische Anwendung des Verfahrens PV ist die Konzentration eines Ethanol-Wasser-Gemisches, das durch Destillation nur bis an eine gewisse Grenze von Restwassergehalt vorkonzentriert werden kann. 
Bild 4: Membrananage / Pervaporation Dieses Gerät ist mit Hilfe von Diplomarbeiten
als Engineering-Aufgabe entstanden. Die wesentliche Elemente sind die Membran
einer Schweizer Spezialfirma sowie Vakuumpumpe, Zahnradpumpe und selbstgebaute
kleine Wärmetauscher.
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| ADSORPTION |
| Bei der Adsorption werden aus einem Gas-
oder Flüssigkeitsstrom selektiv ein oder mehrere Stoffe an der Oberfläche
eines hochporösen Feststoffes über molekulare Anziehungskräfte
(physikalische Adsorption) oder mit chemischer Reaktion (chemische Adsorption)
gebunden. Die Adsorption ist ein ganz bedeutendes Verfahren zur Luftreinigung
und zur Lufttrocknung, aber auch für bestimmte Aufgaben der
Wasserreinigung. Bei der Luftbehandlung sind die Emissionsminderung zur
Einhaltung von gesetzlichen Grenzwerten (z.B. TA-Luft) und die Wertstoff-Rückgewinnung
von herausragender Bedeutung.
Für diese Aufgabe stehen im Labor zwei Tischgeräte zur Verfügung. In diesen wird Luft dem Netz entnommen und durch Adsorption an Silicagel getrocknet. Darauf wird der Luftstrom mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff (KW, z.B. Toluol) beladen, indem er in einer Waschflasche durch diese Flüssigkeit hindurchsprudelt. Der dadurch stark beladene Luftstrom wird danach durch einen kleinen Festbett- Adsorber geleitet und darin sehr gut gereinigt, bis dieser voll beladen ist. Nun kann die Wirkung der Adsorption untersucht werden, indem die Konzentrationen des KW im Luftstrom vor und nach der Reinigung gemessen werden. Zur Messung der Konzentrationen stehen hochgenaue Analysegeräte für Kohlenwasserstoffe, sogenannte Flammen-Ionisations-Detektoren (FID) zur Verfügung. Der Messbereich erstreckt sich Dank automatischer Umschaltung in Dekadenschritten zwischen 100 % und einigen ppm. Im Festbett wird als Adsorptionsmittel meist hochwertige Aktivkohle oder Silicagel verwendet. 
Bild 5: Adsorptionsgerät, Flammen-Ionisations-Detektor (links oben) Wenn das Adsorptionsmittel voll beladen
ist, muss es durch Desorption wieder entladen werden, sodass es in vielen
Reinigungszyklen wirtschaftlich eingesetzt werden kann.
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| FEUERUNGSANLAGE MIT RG ENTSTICKUNG |
| In der Feuerungsanlage werden nach dem
bewährten Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren)
die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide (NOx) zu Stickstoff, N2
und Wasser, H2O reduziert.
In einem Heizkessel der Firma Viessmann
wird leichtes Heizöl verbrannt. Der verwendete Brenner der Fa. Elco
erlaubt es, einen Teil der Rauchgase zum Brenner zurückzuführen.
Die Rauchgase verlassen den Heizkessel mit einer für die katalytische
Entstickung günstigen Temperatur im Bereich von 250 bis 300 °C.
Für die chemische Reduktionsreaktion wird das Reduktionsmittel
Ammoniak (NH3) mit einem statischen Mischer (Fa. Sulzer) vor dem Katalysator
dem Rauchgas zugemischt. Die gute Wirkung des statischen Mischers ist deshalb
so wichtig, weil das NH3 mit dem Rauchgas im Verhältnis von
ca. 1 : 10 000 gleichmäßig zu vermischen ist. Danach durchströmt
das Gemisch den Entstickungs-Katalysator (DeNox-KAT). Dieser
ist ein Keramik-Waben-Monolith mit Titanoxid (TiO2), Vanadium- Pentoxid
(V2O5) und Wolframoxid (WO3) als aktive Substanzen. Da eine Emission von
Ammoniak möglichst vermieden werden soll, gibt man davon etwas weniger
in den Rauchgasstrom als für eine vollständige Reduktion der
Stickoxide erforderlich wäre. Mit dieser unterstöchiometrischen
NH3 Zugabe können die gesetzlichen Grenzwerte für die Stickoxide
in der Regel mit einem Reduktionsgrad von 90 % gut eingehalten werden.
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| MESSTECHNIK |
| Im RG können die Schadstoffe NOx,
CO und SO2 gemessen werden. Zur Umrechnung der Schadstoff-Konzentrationen
auf einen Bezugs-Sauerstoffgehalt wird auch der O2-Gehalt im RG gemessen.
Dieser ist gesetzlich vorgeschrieben und hängt hauptsächlich
von der Brennstoffart und der Feuerungsart ab. Er soll verhindern, dass
durch Beimischung von Luft eine Schadstoffkonzentration verdünnt wird
um eine vorgeschriebene Gasreinheit vorzutäuschen. Für größere
Feuerungsanlagen beträgt der Bezugs-Sauerstoffgehalt beim Einsatz
von flüssigen Brennstoffen beispielsweise 3 Volumenprozent.
Vor Einleitung des Messgasstromes in die Messgeräte wird das Rauchgas gründlich gefiltert und getrocknet. Die Messung der Schadstoffe erfolgt nach der Methode der nichtdispersiven Infrarot Messung (NDIR), der Sauerstoffgehalt wird mit der Methode des Paramagnetismus gemessen. Die Infrarotmessung ist eine fotometrische Messung. Sie beruht auf der Absorption von infraroten Licht (IR) in einer Messzelle durch das zu messende Gas. Ist z.B. SO2 in einem Abgas vorhanden, absorbiert es in einem ganz bestimmten Infrarot-Wellenlängenbereich Lichtstrahlen. Die Abnahme der Lichtintensität wird als Messsignal ausgewertet. Nichtdispersiv bedeutet, dass Licht nicht zerlegt (dispergiert) wird, sondern dass aus einer Kombination von IR Strahler und Filter das geeignete IR Licht erzeugt und durch die Messzelle geleitet wird. |
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| Laborhomepage: http://homepages.fh-regensburg.de/~rek39140/labor |
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