Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Praxisrelevante Optimierungs- und Bekämpfungsstrategien prozessbeeinflussender Schaumdynamiken in Destillationsanlagen der chemischen und Lebensmittelindustrie (Teilprojekt 7)

Bei der technischen Produktion von Feinchemikalien sowie Lebensmitteln und Getränken kommt es häufig zu einer unerwünschten Schaumbildung, die zu wesentlichen Änderungen von Massen-, Impuls- und Energietransporteffekten sowie zu (bio)chemischen Umsetzungen – bis hin zur vollständigen Behinderung der Prozessierung – führen kann. Betroffen sind Kolonnen und Wäscher in der chemischen Industrie, wie Maische- und Fermentationsbehälter, Rührapparate, Brennblasen und Verstärkerkolonnen in der Lebensmittelproduktion.

Die unerwünschte Schaumbildung verursacht in Rektifikationskolonnen hohe Druckverluste, verringerte Durchsätze und eine reduzierte Trennleistung durch Rückvermischung; die finanziellen Folgen sind insbesondere für KMU groß. Die bisherige Behandlung des Problems erfolgt in der Praxis derzeit nur mittels hoher Sicherheitszuschläge und aufwändiger Trial-and-error-Versuche in Pilotanlagen.

Ziel des PLUS-Vorhabens ist es, aufbauend auf den Ergebnissen des DFG/AiF-Clustervorhabens „Simulation von Proteinschäumen“ in einem multidisziplinären Ansatz physikalisch basierte Maßnahmen zu erarbeiten, die zur Präventation, Inhibition und Zerstörung von Schäumen eingesetzt werden können. Das Gesamtvorhaben besteht aus 3 DFG- und 5 IGF-Teilprojekten.

Ziel von Teilprojekt 7 ist die Untersuchung schauminhibierender und –zerstörender Wirkmechanismen auf physikalischer Basis in praxisüblichen destillativen Systemen der Spirituosenindustrie und chemischer Desorptionsanlagen. Im Zentrum stehen dabei systematische Studien zu Ursache-/ Wirkungsbeziehungen zwischen Prozessparametern und Schaumdynamiken.

Ergebniszusammenfassung:

Auf Grundlage der im Projekt durchgeführten Experimente mit verdampfungsinduzierten Schäumen in Destillationsanlagen der Lebensmittelindustrie (FS1) und chemischen Industrie (FS2) wurden folgende Ergebnisse gewonnen.

FS 1:

1. Die Viskosität zeigte eine signifikant positive Korrelation (r=0.83) mit der Schaumbildung. Eine Senkung der Viskosität ist im destillativen Bereich der Lebensmittelindustrie bei beinah allen Medien möglich.

2. Temperaturbereiche konnten definiert werden, in denen keine Schäume erwartet werden können. Demzufolge können Prozess und Verfahren angepasst werden, so dass diese in schaumunkritischen Temperaturbereichen ablaufen.

3. Es wurden schaumresiliente Heizprofile für die Destillation von Obst- und Getreidemaischen entwickelt. Diese können unmittelbar von anderen Destillerien in der Spirituosenindustrie verwendet werden.

4. Eine aktive Schaumzerstörung durch Beregnung mit externer Wasserfracht ist aufgrund von Abkühlungseffekten nicht zu empfehlen.

5. Einbringung von Ultraschall in der Höhe der Kolonne, konnte ein Übertritt von Schäumen in die Kolonne verhindern. Für eine breite Anwendung dieser Technik zur Schaumzerstörung, bedarf es weiterer Forschung.

FS2:

1. Kapazitive Sensoren können neben Schaumständen auch Flüssigkeitsgehalte von Schaum erfolgreich detektieren.

2. Es wurde eine Methode zur Charakterisierung von verdampfungsinduzierten Schäumen erarbeitet, welche verschiedene Einflussgrößen auf die verdampfungsinduzierte Schaumbildung beschreibt.

3. Schaum in Packungen reduziert die Gasbeladung und damit den Destillationsdurchsatz um bis zu 30 % und behindert den Stofftransport und verringert somit die Trennleistung der Packungen um bis zu 44 %.

4. Die Schaumvermeidung durch eine 50 prozentige Wärmestromreduzierung bei der Verdampfung erwies sich als um 25 % effektiver, als die Schaumzerstörung mittels Beregnung.

5. Eine moderate Überhitzung von Oberflächen erwies sich als eine weitere vielversprechende Schaummanagementstrategie.