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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für Mikroverfahrenstechnik, Gruppe Gas- und Mehrphasenkatalyse
www.kit.edu
Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseP. Pfeifer
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Institut für Mikroverfahrenstechnik2 19.06.2012
Inhalt
Energieeinsparung in der Chemischen Industrie / Relevanz
Programmforschung Energieeffiziente Prozesse in der Helmholtz-Gemeinschaft
Mikrowellenprozesse Alternative Zementherstellung (Celitement®)Mikroverfahrenstechnik
Energieallianz „Energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse“
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
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Institut für Mikroverfahrenstechnik3 19.06.2012
Energieeinsparung in der Chem. Industrie
8% des Energieverbrauch durch Chem. Industrie in IndustrieländernAnteil von 5% durch Energiekosten an der Bruttowertschöpfung 55 Mio. MWh = 3.7 Mrd. Euro Stromkosten in 2010
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
1990 2008
-18%Energie
+58%Produktion
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Institut für Mikroverfahrenstechnik4 19.06.2012
Helmholtz Programmforschung (→Effizienz)
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
Energie
Erneuerbare Energien
Rationelle Energieumwandlung
und -nutzung
Brennstoff-konversion und Gasreinigung
KIT
Kraftwerks-technik
DLR
FZJ
KIT
Brennstoffzellen
DLR
FZJ
Supraleitung
KIT
Energieeffiziente Prozesse
DLR
KIT
KernfusionNukleare
Sicherheits-forschung
Technik, Innovation und Gesellschaft
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Institut für Mikroverfahrenstechnik5 19.06.2012
Programmforschung: Mikrowellenprozesse
75 % Energieeinsparung bei FormteilherstellungCO2RRECT BMBF-Verbundvorhaben: Verwertung von CO2 als Kohlenstoff-Baustein (10/2010 bis 9/2013)
RWGS: CO2 + H2 = CO + H2ODry Reforming: CO2 + CH4 = 2H2 + 2CO
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
Bild einer 1 m3 Mikrowellenkammer zum Aushärten von Faserverbundwerkstoffen
Laborreaktor und Simulation des Feldes für mikrowellen-beheiztes katalytischen Reverse Water Gas Shift
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Institut für Mikroverfahrenstechnik6 19.06.2012
Programmforschung: Zementherstellung
Anteil am BSP: ca. 9% (2007)Anteil am Ressourceneinsatz: ca. 40%Mindestens 5% der weltweiten Emissionen von Treibhausgasen stammen aus der Herstellung von ZementEU: 40% der Primärenergie wird in der Thermostatisierung von Gebäuden verbraucht
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
Sand Kalkstein
Brecher
ÜÜbergabe-station Rohstein-transport
Längs-mischbett
Abbau Rohstein
Sand
Prozessdarstellung des Celitement-Prozesses (Hydrothermale Umwandlung der Einsatzstoffe)
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Institut für Mikroverfahrenstechnik7 19.06.2012
Energieeinsparpotentiale durch verbesserten Stoff- und Wärmetransport durch Strukturierung des Reaktionsraumes
Programmforschung: Mikroverfahrenstechnik
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
„Optimale“ Reaktionsführung
Hansen, J.B. and P.E. Højlund Nielsen, Methanol Synthesis, in Handbook of Heterogeneous Catalysis. 2008: Wiley-VCH
IsothermeReaktionsführung
Schnitt durch einen mikrostrukturierten Reaktor
1 cm
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Institut für Mikroverfahrenstechnik8 19.06.2012
rel.
Verb
rauc
h vs
Die
sel /
%Fo
ssile
r Ene
rgie
aufw
and
BtL
EtOHRME
CNGBenzin
Mais CNG Reststoff CNGMais FT Reststoff FT
+20
0
-20
-40
-60
-80
-100
Mik
rore
akto
r
Mik
rore
akto
r
Beispiel: Energieeinsparpotentiale in BtL und off-shore GtL
Programmforschung: Mikroverfahrenstechnik
Off-shore GTL 0,04 m3(Gas)/l(Öl)
0,004 m3(Gas)/l(Öl)
Hu des Erdöls eingerechnetEnergieersparnisCO2 Einsparung
2 %40 %
0.2 %10 %
Auf Basis CH4-VerlustEnergieersparnisCO2 Einsparung
15 %40 %
2 %10 %
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
BtL
Zielprodukte:- Methanol- DME- FT-Diesel
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Institut für Mikroverfahrenstechnik9 19.06.2012
Programmforschung: MikroverfahrenstechnikBeispiel: WGS (5 m3/h)
80 g/gh @ 30 g Pt/CeO2
u (m/s)
Foliendesign mit Kanälen 300 x 150 µm2
Fertiger Apparat (unbeschichtet)StapelfolgeVerteilungsrechnung für Reaktionspassage
Konstruktionmit Kompensatoren
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
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Institut für Mikroverfahrenstechnik10 19.06.2012 P. Pfeifer Topic 5
Programmforschung: MikroverfahrenstechnikProblemstellung: optimaler Temperaturprofile bei exothermen Gleichgewichtsreaktionen wie z.B. Oxidation von SO2 zu SO3
T
L
Limitierung durch Materialwahl
Abnahme durch geringeres r
Q
L
ReaktionswärmeTemperaturdifferenz(Wärmekapazität)
X
T
Xeq
Tmax
Überführung des Lösungsansatzes via Simulation (angepasst an Labor-ergebnisse) in ein Reaktorsystem 8-16 kg/h(16 kg/h äquivalent zu 5 kW @ 530°C)
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Institut für Mikroverfahrenstechnik11 19.06.2012
HGF-Energieallianz Mehrphasenprozesse
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
Beirat: Evonik, BASF, Bayer BTS, TURKU/Finnland
IKET: Deutschmann/WetzelIMVT: Pfeifer/Rinke
ITAS: Patyk
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Institut für Mikroverfahrenstechnik12 19.06.2012
HGF-Energieallianz Mehrphasenprozesse
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
Prozesswärme-management Apparate
AnlagenverbundSyntheserouten
und Katalysatoren
Reaktor-strukturierung Miniaturisierung
Optimierter Energieeintrag
Multi-funktionalisierung
Einsparmöglichkeiten auf Prozess-und Apparateebene:
Andere Verbundprojekte:
• Multiphase (BMBF)• F3Factory (FP7) → IMVT• CoPIRIDE (FP7)• CP Blasensäulen (ProcessNet)• Solid Sponges (DFG FOR)
→ TVT, CVT, …• inPROMT (DFG SFB 63)• M2dcR2 (Uni Gent, BE)• InnovA2 (BMBF)• …
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Institut für Mikroverfahrenstechnik13 19.06.2012
HGF-Energieallianz Mehrphasenprozesse
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
• Untersuchung von Betriebs‐ und Reaktorstrukturen für die Optimierung von Stoff‐und Wärmetransport
• Entwicklung eines modular aufgebauten, mikrostrukturierten Reaktors für T bis 300°C und Nutzung von Hochdruckwasserdampf bis 50 bar
• Optimierung der Gleichverteilung der Stoffströme
Strukturierter Mikro‐reaktor für die Anilin‐
Synthese
Messergebnissebei 1 bar
• Modellerstellung aus CT‐ bzw. NMR‐Experimenten für Schaumstrukturen
• Einzelkanalsimulation einer Monolith‐Struktur (Kopplung TURBIT‐VOF und DETCHEM)
• Teilgebiet einer festen Schaumstruktur (Erweiterung von OpenFOAM um die Phasenfeldmethode)
• Stofftransport und Wärmeübergang Fluid / Feststoff in Schwämmen
• Messung von Ramanspektren im Mikroreaktorkanal (Taylorströmung)
• Konzentrationsbestimmung der Flüssigphase von Isobutan, tert‐butyl‐Hydroperoxid, tert‐butyl‐Alkohol in Einzelkanal; Ortsauflösung ~7 µm
KIT-Beitrag SYSTEMANALYSE: Benchmarkstudien, Vergleiche mit Alternativen (Identifikation optimaler Anwendungsfelder), Bestimmung optimaler Anlagen(verbund)konfigurationen und Betriebsweisen
REAKTIONSFÜHRUNG UND MIKROAPPARATE IN‐SITU MESSTECHNIKSIMULATION
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Institut für Mikroverfahrenstechnik14 19.06.2012
Zusammenfassung
P. PfeiferApplication of Catalysts to Metal Microreactorsin "Chemical Kinetics", ISBN 979-953-307-320-9InTech, open access
P. Pfeifer Energieeffiziente verfahrenstechnische ProzesseFachtagung Energie 2012
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Chemische Industrie ist ein interessantes Betätigungsfeld im Bereich Energieeffiziente ProzesstechnikVerschiedene Ansätze alternativer Verfahrenswege werden durch die HGF-Programme unterstütztVernetzung zwischen verschiedenen Forschungspartnern ist wichtig für den Erfolg!
Poster:- Böltken et al.- Kreuder et al.- Lee et al. (Posterpreis)- Ding et al.