GVT - 17004 N
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Steigerung der Energieeffizienz und der Wirtschaftlichkeit von Polymerisationsverfahren durch verminderte Belagbildung/Fouling in Wärmeübertragern

IGF-Nr. 17004 N

Ziel dieses Projektes war die Steigerung der Energieeffizienz und damit auch Wirtschaftlichkeit der Polymerherstellung durch Reduzierung des Fouling in Wärmeübertragern. Fouling kann dabei sowohl während der Polymerisation als auch bei der anschließenden Weiterverarbeitung der fertigen Polymerdispersion auftreten. Beide Vorgänge sind bisher unzureichend erforscht, wodurch Lösungsansätze zur Foulingminderung fehlen. Im vorliegenden Projekt wurden zunächst die Mechanismen der Foulingbildung von Polymerdispersionen und deren Einflussparameter, wie der Bulktemperatur, der Wärmestromdichte und der Feststoffkonzentration, untersucht. Da eine Belagbildung sowohl während Heiz- wie Kühlvorgängen auftreten kann, wurde die Foulingbildung der Polymerdispersion sowohl auf beheizten als auch auf gekühlten Oberflächen untersucht.

Um auch den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf das Fouling zu erfassen, wurden Versuche im Batchbetrieb und im Strömungskanal durchgeführt.Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass die für andere Foulingarten (z.B. Kristallisationsfouling) entwickelte Messmethodik auch zur Bewertung von Polymerfouling geeignet ist. Zur Charakterisierung der Foulingbildung werden dabei der thermische Foulingwiderstand zur Quantifizierung des Foulingeinflusses auf den Wärmeübergang sowie die Foulingmasse verwendet. Bildauswertungen der belegten Oberfläche und der Strukturen innerhalb der Foulingschichten unterstützen bei der Einordnung des aufgetretenen Fouling.

In allen Versuchen konnte ein Einfluss der Oberflächenmodifikation durch Beschichtung und/oder Elektropolieren gezeigt werden. Aus den Ergebnissen der einzelnen Versuche lässt sich eine generelle Möglichkeit der Foulingminderung durch die Verwendung von amorphen Kohlenstoffbeschichtungen ablesen. Außerdem wurde ein Einfluss der Wärmestromdichte, der Bulktemperatur und der Feststoffkonzentration auf die Foulingbildung festgestellt. Demnach lässt sich die Foulingbildung durch eine gezielte Auswahl der genannten Stellgrößen steuern und kann in Zusammenhang mit einer Oberflächenmodifikation zu einer wesentlichen Verminderung der Belagbildung führen. Zudem wurde ein deutlicher Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Entstehung von Foulingschichten nachgewiesen, wobei bereits sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten (w = 0,1 m/s) zu einer Reduzierung des Endwertes des thermischen Foulingwiderstandes um mehr als 80 % führen. Die entstandenen Foulingschichten auf beheizten und gekühlten Oberflächen unterscheiden sich stark in ihrer Struktur. Während sich auf gekühlten Oberflächen glatte dünne Polymerfilme ablagern, entstehen auf den beheizten Oberflächen sehr unregelmäßige Foulingschichten. Diese bestehen größtenteils aus Kraterstrukturen, die vermutlich auf eine Phaseninversion in der Polymerdispersion zurückzuführen sind. Die Größe dieser Krater ist ebenfalls von den Parametern Wärmestromdichte, Bulktemperatur und Feststoffkonzentration abhängig.

Zur Bewertung der Einsetzbarkeit der untersuchten Oberflächenbeschichtungen wurde die Veränderung der Beschichtungen durch mehrmalige Verwendung in Foulingversuchen und anschließende Reinigung untersucht. Dazu gehörte auch eine Analyse der Oberflächeneigenschaften in unterschiedlichen Alterungsstadien.

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema vom 08/11 bis 03/14 an der Technischen Universität Braunschweig, Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik (Langer Kamp 7, 38106 Braunschweig, Tel.: 0531/3912780) unter der Leitung von Prof. Dr. St. Scholl (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. St. Scholl). 

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BMWi-Logo Das IGF-Vorhaben Nr. 17004 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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