Methodik zur präzisen modellgestützten Charakterisierung der Flüssigphasenadsorption

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. René Schenkendorf; Professor Dr.-Ing. Stephan Scholl
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444703025

Die Flüssigphasenadsorption ist - insbesondere für thermisch sensible Stoffsysteme - ein hoch selektives und effizientes Reinigungs- und Produktgewinnungsverfahren. Für die Auslegung und Verbesserung von Adsorptionsprozessen sind die Adsorptionsgleichgewichte, die zugrundeliegenden Ad- und Desorptionskinetiken als auch die resultierenden Adsorptionsdynamiken zuverlässig zu identifizieren. Mehrere Herausforderungen erschweren jedoch die Identifikation: hierzu zählen die meist unbekannten oder vernachlässigten Prozess- und Messunsicherheiten sowie die begrenzte Verfügbarkeit von Adsorbens oder Adsorptiv insbesondere in frühen Entwicklungsstadien. Gleichzeitig wird gerade bei der Flüssigphasenadsorption die Analyse dadurch erschwert, dass die Interaktion von Adsorbat und Adsorbens von mehreren Faktoren beeinflusst wird. Um trotz dieser hohen Komplexität ein umfassendes Verständnis auf Basis von experimentellen Untersuchungen zu erhalten, soll in diesem Forschungsvorhaben erstmalig eine Methodik eingesetzt werden, die aus einer Kombination von Experimenten, innovativen Modellidentifikationsmethoden und der modellgestützten Versuchsplanung besteht. Im Speziellen zielt das Forschungsvorhaben auf eine umfassende modellgestützte Charakterisierung der Interaktion von Adsorbat und Adsorbens unter Berücksichtigung von Daten- und Modellunsicherheiten am Beispiel der Adsorption von Monosacchariden an Zeolith BEA ab. In einem ersten Schritt wird in der AG Scholl die Adsorption am Modellsystem unter statischen und dynamischen Betriebsbedingungen experimentell untersucht, der Einfluss von Prozessparametern auf die Messunsicherheiten erfasst und die experimentellen Methoden bezüglich des experimentellen Aufwands und des Materialbedarfs bewertet. Parallel hierzu werden algebraische Identifizierungsmethoden für die Modell- und Parameterbestimmung unter Verwendung von systemtheoretischen Ansätzen in der AG Schenkendorf entwickelt und mit Konzepten der modellgestützten Versuchsplanung verknüpft. Eine Sensitivitätsanalyse ermöglicht die optimale Kombination von algebraischen Identifikationsmethoden und konventionellen Verfahren der Parameterbestimmung. Modell- und Parameterunsicherheiten werden quantifiziert und in Form einer robusten Optimierung berücksichtigt. Die optimale modellgestützte Versuchsplanung garantiert somit eine effiziente Nutzung der aufwendigen Laborexperimente unter minimalem Materialeinsatz. Neben einem vertieften Prozessverständnis von der Interaktion zwischen Adsorbat und Adsorbens ermöglicht dieses Forschungsvorhaben einen wichtigen Beitrag für die Unsicherheitenquantifizierung der Adsorptionskinetiken und -gleichgewichte sowie deren Abhängigkeit bezüglich der Prozessparameter und ist hierbei nicht auf die Einkomponentenadsorption beschränkt. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse können adsorptionsbasierte Stofftrennungsprozesse zuverlässiger ausgelegt und betrieben werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen