04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Numerical methods for the simulation of chemical engineering processes(1994) Dieterich, Erwin; Sorescu, Gheorge; Eigenberger, GerhartFundamental aspects and the current state of the art in simulating the dynamic and steady-state behavior of chemical engineering processes are discussed. The discretization of the spatial derivatives in the equations of change leads to a system of differential algebraic equations (DAE), consisting of ordinary differential equations in the time domain, and algebraic equations. The present paper discusses the necessary steps to solve the DAE, and mentions proven standard software for these steps as well as for the solution of the differential algebraic equations as a whole.Item Open Access Problems of mathematical modelling of industrial fixed-bed reactors(1986) Eigenberger, Gerhart; Ruppel, WilhelmModelling and computer simulation for the purpose of design and operation of industrial fixed-bed reactors are discussed with the aid of examples. Emphasis is laid upon difficulties and problems arising from aiming at an adequate model formulation. The following aspects are discussed in some detail: 1) The influence of heat and mass transport in the catalyst pellet, especially with complex reactions. 2) Relationships between radial heat transfer and radial flow profile and its influence upon the temperature profile in packed tubes with or without heat generation by reaction. 3) Problems of adequate modelling of catalyst activity changes during the course of operation. 4) Scale-up problem of multitubular fixed-bed reactors, i.e. the problem of achieving and maintaining the same operating conditions in and around all the tubes of the bundle.Item Open Access Fixed bed reactors(1992) Eigenberger, GerhartCatalytic fixed-bed reactors are the most important type of reactor for the synthesis of largescale basic chemicals and intermediates. In these reactors, the reaction takes place in the form of a heterogeneously catalyzed gas reaction on the surface of catalysts that are arranged as a socalled fixed bed in the reactor. In addition to the synthesis of valuable chemicals, fixed-bed reactors have been increasingly used in recent years to treat harmful and toxic substances. For example, the reaction chambers used to remove nitrogen oxides from power station flue gases constitute the largest type of fixed-bed reactors as regards reactor volume and throughput, while automobile exhaust purification represents by far the most widely employed application of fixed-bed reactors.Item Open Access Regelung eines instationär betriebenen Festbettreaktors mit Fuzzy-Kontrollregeln(1993) Nieken, Ulrich; Kolios, Gregorios; Eigenberger, GerhartKatalytiscbe Abluftreinigung in Reaktoren mit periodischer Strömungsumkehr erlaubt einen autothermen Betrieb bis zu niedrigen Schadstoffkonzentrationen. Bei höheren Schadstoffkonzentrationen ermöglicht ein Mittenabzug die vollständige Auskopplung der Verbrennungswärme. Aufgabe der Regelung ist es, den gezündeten Zustand bei geringen Rohgaskonzentrationen durch Zugabe von Stützgas aufrechtzuerhalten und bei höheren Konzentrationen Reaktionswärme in Form eines heißen Teilgassstromes zurückzugewinnen. Ein konventioneller Reglerentwurf gestaltet sich in diesem Fall als schwierig, da der Reaktor keinen definierten Arbeitspunkt besitzt, sondern nur im gezündeten Zustand gehalten werden muß, wobei er sich aufgrund der direkten Kopplung von chemischer Reaktion und Wärmetausch stark nichtlinear verhält. Aus diesem Grund werden die Methoden der Fuzzy-Regelung ausgewählt und an einem Reaktor im Labormaßstab erprobt. Im folgenden wird zunächst kurz auf das Prinzip der katalytischen Oxidation mit periodisch wechselnder Strömungsrichtung eingegangen, um die Wahl der Reglerein- und Ausgangsgrößen zu begründen. Anschließend werden der Aufbau des Fuzzy-Reglers skizziert und die erzielten Versuchsergebnisse diskutiert.Item Open Access Analyse von Stoffwechselprozessen mit der Fermentationskalorimetrie(1993) Meier-Schneiders, Martin; Grosshans, Ulrich; Busch, Claudia; Eigenberger, GerhartBiologische Aktivität ist mit der Freisetzung von Wärmeenergie verbunden. Die Wärmeproduktion ist dabei proportional zur gesamten Stoffwechselaktivität. Da Wärme kontinuierlich entsteht, eignet sie sich zur Nutzung als On-Iine-Signal. Kalorimetrische Methoden werden in den Biowissenschaften bereits seit Jahrzehnten verwendet. Fermentationskalorimetrie ist eine neu entwickelte Meßtechnik, die insbesondere für die kalorimetrische Vermessung biotechnisch relevanter Fermentationen im Labormaßstab gedacht ist.Item Open Access Modellierung und numerische Simulation von G/L-Blasen-Strömungen(1994) Sokolichin, Alexander; Becker, Stefan; Eigenberger, GerhartIn den letzten Jahren zeigt sich ein Trend zu einer detaillierteren modellmäßigen Beschreibung der Hydrodynamik von Gas(G)/Liquid(L)-Reaktoren, wie z. B. Blasensäulen. Die genauere Erfassung der Hydrodynamik wird dabei als Voraussetzung für eine bessere Reaktorauslegung betrachtet. Wegen der Komplexität der Vorgänge scheint eine enge Kopplung von Experiment und Simulation erforderlich. Über erste Ergebnisse aus einem entsprechenden Forschungsprojekt wird nachstehend berichtet.Item Open Access Mathematische Modellbildung und numerische Simulation von Gas-Flüssigkeits-Blasenströmungen(2004) Sokolichin, Alexander; Eigenberger, Gerhart (Prof. Dr.-Ing.)Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines mathematischen Modells, das eine zutreffende und effiziente numerische Simulation von Gas-Flüssigkeits-Reaktoren mit Blasenströmungen ermöglicht. Da ein mathematisches Modell aus einem System von nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen besteht, die auf numerischen Wege gelöst werden,ist die Validierung des Modells nur dann möglich, wenn die Simulationsergebnisse nicht zu sehr durch numerische Fehler beeinflußt werden. Bei der numerischen Behandlung der partiellen Differentialgleichungen stellt die Diskretisierung der konvektiven Terme ein besonders schwieriges Problem dar. Während die linearen Verfahren erster Ordnung an einem hohen numerischen Fehler infolge der numerischen Diffusion leiden, führen die linearen Verfahren höherer Ordnung zu einem unphysikalischen Verlauf der Lösungsprofile. Wegen der auftretenden Oszillationen im Lösungsprofil können diese Verfahren zum Lösen von konvektionsdominanten Problemen nicht eingesetzt werden, wenn die zu transportierende Größe physikalisch keine negativen Werte annehmen darf (wie z.B. Konzentration, Gasgehalt, turbulente kinetische Energie usw.). In der letzten Zeit wurde eine Reihe von neuen nichtlinearen Diskretisierungsverfahren entwickelt, die auf dem sog. TVD-Konzept (Total Variation Diminishing) basieren. Sie liefern oszillationsfreie Profile und sind auf glatten Lösungen bis zur dritten Ordnung genau. Eine ausführliche Auseinandersetzung mit dem TVD-Konzept ist ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit. Da die TVD-Verfahren nicht nur zur Berechnung von Zweiphasenströmungen sondern auch allgemein zur Diskretisierung von beliebigen konvektionsdominanten Gleichungen eingesetzt werden können, und damit für ein breites Spektrum verfahrenstechnischer Anwendungen von Interesse sind, werden sie im ersten Teil der Arbeit behandelt. Zunächst wird am Beispiel einer eindimensionalen linearen Konvektionsgleichung mit einer konstanten Konvektionsgeschwindigkeit die Herleitung der TVD-Diskretisierung ausführlich erläutert. Anschließend wird die Verallgemeinerung des TVD-Konzepts auf komplexere lineare und nichtlineare ein- und mehrdimensionale hyperbolische Gleichungen diskutiert. Dabei werden die Vorteile der TVD-Verfahren gegenüber den linearen Diskretisierungsmethoden an 11 Testfällen veranschaulicht. Die Fragen der Modellbildung und numerischen Simulation von blaseninduzierten Strömungen werden dann im zweiten Teil dieser Arbeit behandelt. Zur Diskretisierung der Modellgleichungen werden die im ersten Teil entwickelten TVD-Verfahren eingesetzt. Ausgehend von einem sogenannten Basismodell des Euler-Euler-Typs, das nur solche Terme im Modell berücksichtigt, deren Existenz und mathematische Darstellung weitgehend akzeptiert ist, wird das Modell im engen Wechselspiel mit Experimenten validiert und weiterentwickelt. Es werden dazu unterschiedliche Konfigurationen von lokal begasten Blasensäulen, Schlaufenapparaten und gleichmäßig begasten Blasensäulen simuliert. Zu den ausführlich untersuchten Fragen gehört der Einfluß der unterschiedlichen Kräfte, insbesondere der Widerstandskraft, der "added mass force" und der "lift force" auf die Blasenbewegung, sowie die Frage der Erfassung und der Auswirkung von Turbulenz in der Gas-Flüssigkeitsströmung. Die Turbulenz äußert sich dabei zum einen in der Erhöhung der effektiven Viskosität der Flüssigphase und zum anderen in der Dispersion der Gasblasen, wobei die Gasblasen selber maßgeblich zur Turbulenz in der Flüssigphase beitragen. Als Ergebnis folgt, daß das typisch instationäre Strömungsverhalten in lokal begasten Blasensäulen mit niedrigem Gasgehalt gut vorhergesagt werden kann, wenn die instationären, dreidimensionalen Modellgleichungen mit den entwickelten numerischen Verfahren gelöst werden. Dazu reicht bei lokaler Begasung ein Turbulenzansatz nach dem Standard-k-epsilon-Modell aus. Bei vollständiger Begasung und höherem Gasgehalt muß dagegen die blaseninduzierte Turbulenz mitberücksichtigt werden. Bisherige Modellansätze dafür erlauben zwar eine zutreffende Beschreibung nach vorheriger Anpassung der entsprechenden Modellparameter aber noch keine sichere Vorausberechnung.Item Open Access Elektrodialytische Regenerierung von Ionenaustauscher-Harzen(1993) Johann, Jürgen; Eigenberger, GerhartIonenaustauscher-Harze werden überwiegend zur Abtrennung unenwünschter Ionen aus wäßrigen Lösungen eingesetzt. Die Arbeitskapazität der Harze ist jedoch beschränkt. Deswegen müssen die Harze von Zeit zu Zeit regeneriert werden. Die Regenerierung wird meist im Gegenstrom, bei der Wasservollentsalzung mit Säure und Lauge, bei der Enthärtung mit einer NaCl-Lösung, durchgeführt. Nachteilig ist dabei vor allem der überstochiometrische Bedarf an Regenerierchemikalien, insbesondere bei stark sauren Kationenaustauscher-Harzen. Des weiteren ist im Falle schwermetallionenhaltiger Regenerate eine zusäzliche Aufbereitung derselben z. B. durch Fällung notwendig. Ein neueres Verfahren ist die elektrodialytische Regenerierung der Harze.Die nachstehend beschriebenen experimentellen Ergebnisse am Beispiel der Cu-Ionenabtrennung zeigen die Vorteile im Vergleich zu den herkömmlichen Regenerierverfahren.Item Open Access Direct electrodialysis of fermentation broth with periodic removal of fouling layers(1992) Kuppinger, Franz-Felix; Busch, Claudia; Eigenberger, GerhartIn the present investigation the fermentation broth is fed directly into the electrodialysis module without prefiltration. Under these conditions a biofouling layer of living and dead parts of the fermentation broth builds up primarily on the anion exchange membranes. The mainly negatively charged fouling producers, for example protein ions, are transported by the electric field to the anion exchange membranes.Item Open Access Neue Entwicklungen und Einsatzbereiche elektrodialytischer Membranverfahren(1994) Kuppinger, Felix; Rapp, Hans-Jürgen; Eigenberger, Gerhart-