Wertstoffrückgewinnung mittels Dünnschichtverdampfung (DSV Wertstoffrückgewinnung)

IGF-Nr. 01IF22220N

Im Rahmen des Projekts wurde die Betriebsweise von Dünnschichtverdampfern (DSV) systematisch untersucht und deren Skalierbarkeit, Effizienz und industrielle Anwendbarkeit bewertet. Zunächst wurde die bestehende Versuchsanlage technisch optimiert (AP1), indem eine präzisere Steuerung und Datenerfassung durch die Integration einer Coriolis-Durchfluss­messung, einer erweiterten Dampfregelstrecke und eines Boroskops mit Hochgeschwindig­keits­kamera ermöglicht wurde. Anschließend wurden repräsentative Modellstoffsysteme definiert und relevante Stoffdaten recherchiert sowie experimentell bestimmt (AP2). Für die Auswertung der Daten wurden automatisierte Routinen entwickelt, mit denen Messwerte effizient analysiert und aufbereitet werden konnten. Die Versuchsparameter (Temperaturdifferenz, Druck, Wischerdreh­zahl) wurden gezielt variiert, um den Einfluss zentraler Betriebsgrößen auf die Verweilzeitcharakteristik, die Verdampfungseffizienz und das Trennverhalten zu quantifizieren.

Die Untersuchungen zur Fluiddynamik und Verweilzeitverteilung (AP3) lieferten detaillierte Erkenntnisse zur Strömungscharakteristik im Verdampfer. Durch optische Tracermessungen und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen konnten die Filmbildung auf der beheizten Oberfläche sowie die Verweilzeit unter verschiedenen Bedingungen analysiert werden. Anschließend wurden die Verdampfungsleistung und Betriebsgrenzen des DSV bestimmt (AP4), wobei Massen- und Energiebilanzen systematisch ausgewertet wurden. Ergänzend wurden Verdampfungsversuche mit binären Gemischen durchgeführt (AP5 & AP6), um die Trennleistung des Verdampfers zu bestimmen und mögliche Betriebsgrenzen durch Trockenlauf, Entnetzungsphänomene und Tropfenmitriss zu bewerten.

Zur Beurteilung der Skalierbarkeit wurden experimentelle Daten mit industriellen Daten und Literaturwerten verglichen (AP7). Die Ergebnisse zeigten, dass die gemessenen Wärmedurch­gangskoeffizienten und mittleren Verweilzeiten mit existierenden Daten gut übereinstimmen. Ergänzend wurde ein prädiktives, modulares Modell entwickelt (AP8), welches die Verdampfungsleistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen berechnet und eine gezielte Anpassung der Prozessführung unterstützt.

Für kleine und mittelständische Unternehmen sind diese Erkenntnisse insbesondere im Hinblick auf die Energieeffizienz und die Wirtschaftlichkeit von DSV-Anlagen von Bedeutung. Der entwickelte Handlungsleitfaden (AP9) bietet Unternehmen eine praxisnahe Grundlage zur Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und zur Optimierung bestehender Prozesse. Durch die systematische Untersuchung der Verdampfungsprozesse konnten zentrale Betriebsgrenzen, Trennleistungen und Skalierungsfaktoren quantifiziert werden. Die entwickelten Modelle und Simulationswerkzeuge ermöglichen eine fundierte Prozessbewertung, wodurch Unternehmen die Technologie gezielt und wirtschaftlich sinnvoll in ihren Produktionsabläufen implementieren können.

 

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 02/2022 bis 11/2024 an der Technischen Universität Braunschweig, Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik (Langer Kamp 7, 38106 Braunschweig, Tel. 0531/3912781) unter der Leitung von Dr. Katharina Jasch (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr. Stephan Scholl).

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