Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Dampf-Druckfiltration - Kombination wasserunlöslicher Flüssigkeitsphase und Dampf-Druckentfeuchtung mit Wasserdampf

 

 

Mechanisch-thermische Entfeuchtungsverfahren, insbesondere die Dampf-Druckfiltration (DDF), haben sich in den vergangenen zwei Dekaden in der Filtrationstechnologie etabliert. Der DDF kommt dabei eine Schlüsselrolle zu, da es mit ihr mehrfach gelungen ist, in der chemischen Industrie neue Prozessstrategien zu entwickeln. Eine Grundlage hierfür ist das Verständnis des Prozessverhaltens der DDF bei Nutzung organischer Lösungsmittel als Suspensionsflüssigkeit. Es hat sich in Vorarbeiten gezeigt, dass die DDF geeignet sein kann, einen Lösungsmittelwechsel aus einem organischen in ein wasserfeuchtes System durchzuführen. Der vollständige Wechsel wird durch die Verdunstung des flüchtigen Lösemittels in die Dampfphase ermöglicht. Eine quantitative Auslegung dieses Teilschritts erfordert ein Prozessmodell, dass Porenströmung und selektive Trocknung koppelt. Ein solches steht für eine Anwendung durch kmU nicht zur Verfügung und soll daher entwickelt und dokumentiert werden.

Charakteristisch für die DDF ist ferner die nahezu optimale mechanische Entfeuchtung, wodurch vergleichsweise geringe Restfeuchten erhalten werden. Dies wird durch den charakteristischen Entfeuchtungsmechanismus ermöglicht, der eine selbst-stabilisierende Verdrängungsfront aufbaut. Die Stabilität der Front ist in rein wässerigen Stoffsystemen gegeben. Die Frontstabilität und damit das exzellente Entfeuchtungsergebnis kann leiden, wenn das Kräfteverhältnis im Porensystem gestört wird. Bei der DDF von organischen nicht-mischbaren Suspensionen verschiebt sich das Kräfteverhältnis zwischen Druck- Reibungs- und Grenzflächenkraft, wodurch a priori die Frontstabilität nicht vorausgesetzt werden kann. Das Vorhaben soll hier einen quantitativen Nachweis führen und mögliche geeignete Betriebsfenster der DDF ermitteln.

Mit dem quantitativen Verständnis der beiden zentralen Teilschritte der DDF soll eine quantitative Prozessauslegung der DDF in chemisch komplexeren Systemen insbesondere für kmU möglich werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Zuge des Forschungsprojektes wurde eine detaillierte, theoretische Beschreibung des Prozesses entwickelt, die die Lehr- und Fachliteratur ergänzt. Die Beschreibung der Dampf-Druckfiltration (DDF) in Kombination mit einer wasserunlöslichen Flüssigkeitsphase basiert auf der Theorie der DDF für wässrige Systeme sowie der Theorie der Wasserdampfdestillation.

Es wurde gezeigt, dass die für die DDF charakteristische, ebene Verdrängungsfront auch bei wasserunlöslichen Flüssigkeiten auftritt und zu einer deutlichen Reduktion der Restfeuchte bzw. Lösungsmittelbeladung des Feststoffes führt. Durch die Messung der Temperaturprofile konnte eine zusätzlich auftretende Prozessphase beobachtet werden, die aufgrund ihrer Phänomenologie als Strippungsphase bezeichnet wird. Die Strippung mit Wasserdampf ermöglicht eine weitere Reduktion der Lösungsmittelbeladung. In Folge des konstanten Dampfmassenstroms und der konstanten Zusammensetzung der Dampfphase, stellt sich eine lineare Abnahme der Beladung ein. Darüber hinaus ist eine vollständige Entfernung des Lösungsmittels bei vergleichsweise geringem Dampfverbrauch erreichbar.

Die Untersuchungen zeigen auch den Einfluss der wesentlichen Prozess- und Stoffparameter auf das Prozessverhalten und das Verfahrensergebnis. Zusätzlich wurde ein numerisches Modell entwickelt, das die Strippungs- und Trocknungsphase beschreibt. Die Modellrechnungen konnten mit den experimentellen Untersuchungen validiert werden und zeigen eine gute Übereinstimmung. Dadurch ist neben weiteren theoretischen Simulationen auch eine einfache Prozessauslegung möglich.

Die erzielten Ergebnisse können in vielfältigen Anwendungsgebieten vorwettbewerblich genutzt werden:

Reinigung nach Polymerisationsprozessen, Lösungsmittelwechsel in mehrstufigen Synthesen, Reinigung / Aufarbeitung nach Extraktionsprozessen, Aufbereitung von Nebenerzeugnissen zur Deponierung, Reinigung in der Aufbereitung in der Erdölindustrie, Prozessen der Umwelttechnik

Wirkstoffproduktion.