Integrierter Entwurf von Adsorbents und Prozessen mithilfe von PC-SAFT und der klassischen Dichtefunktionaltheorie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Groß
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496559772

Der Erfolg von Adsorptionsprozessen in der Chemie- und Energietechnik hängt von der Wahl des als Adsorbens verwendeten Materials ab. Der molekulare Designraum bietet eine große Anzahl möglicher Adsorbenzien, die ein maßgeschneiderten Entwurf von Materialien für eine bestimmte Anwendung ermöglichen. Die Wahl des Adsorbens ist eine Herausforderung, da die Materialien von der Gestaltung des Prozesses selbst abhängt und umgekehrt. Für einen optimalen Adsorptionsprozess muss das Adsorptionsmittel gemeinsam mit dem Prozess entworfen werden.In diesem Projekt entwickeln wir eine neue Methodik für eine integrierte Auslegung von Adsorbens und Prozess. Das Adsorbens wird als Freiheitsgrad innerhalb der Prozessoptimierung betrachtet. Der Schlüssel zu dieser Methode ist das physikalisch basierte thermodynamische Modell, das die Wechselwirkung zwischen Adsorbenzien und Adsorbaten auf effiziente und thermodynamisch konsistente Weise beschreibt. Dazu wird die PC-SAFT Zustandsgleichung in Kombination mit der klassischen Dichtefunktionaltheorie (DFT) verwendet. Das thermodynamische Modell wird im Rahmen dieses Projekts weiterentwickelt, um den Anforderungen gerecht zu werden, die sich aus der Entwicklung der integrierten Designmethodik ergeben. Das verbesserte thermodynamische Modell ist direkt mit einem Prozessmodell verknüpft. Die Idee der integrierten Entwurfsmethodik besteht darin, die diskrete molekulare Entscheidung, die sich aus der Auswahl oder dem Entwurf des Adsorptionsmittels ergibt, zu umgehen. Im Gegensatz dazu definieren wir ein hypothetisches Adsorptionsmittel, indem wir die Parameter, die ein Adsorptionsmittel im thermodynamischen Modell darstellen, als kontinuierliche Designvariablen behandeln. Diese Adsorbensparameter werden zusammen mit den Freiheitsgraden des Prozesses optimiert, was zu einem optimalen, hypothetischen Zielmaterial und dem entsprechenden optimierten Prozess führt. In einem weiteren Schritt werden die Parameter des thermodynamischen Modells, die das hypothetische Adsorbens repräsentieren, auf eine Datenbank abgebildet, um ein vorhandenes optimales Adsorbens zu identifizieren. Dazu wird eine Datenbank von Adsorbenzien und ihren jeweiligen Parametern des thermodynamischen Modells entwickelt.Im Projekt konzentrieren wir uns zunächst auf Adsorptionswärmepumpen, um die integrierte Auslegungsmethodik zu entwickeln. Für eine effiziente integrierte Auslegung wird ein einfaches Prozessmodell für Adsorptionswärmepumpen entwickelt. Im Laufe des Projekts wird die Methode auf adsorptionsbasierte chemische Trennverfahren (z. B. CO2-Abscheidung) erweitert. Um eine genaue und umfassende Prozessmodellierung zu ermöglichen, wird das thermodynamische Modell um Modelle für kalorische Größen und Transporteigenschaften erweitert. Die in diesem Projekt entwickelte integrierte Entwurfsmethodik wird es ermöglichen, die optimale Kombination von Adsorbens, Adsorbat und Prozess für Adsorptionsprozesse aus der Chemie- und Energietechnik zu finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. André Bardow