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Rate-based-Ansatz

Grundsätzlich kann man zwischen zwei verschiedenen Stufenmodellen unterscheiden. Das Gleichgewichtsstufenmodell setzt voraus, dass jeder Gas- bzw. Dampfstrom, der einen Kolonnenboden oder ein Packungssegment (Stufe) verlässt, sich im thermodynamischen Gleichgewicht mit dem entsprechenden Flüssigkeitsstrom, der dieselbe Stufe verlässt, befindet. Darauf basierend werden Bilanzgleichungen für Masse und Energie aufgestellt, mit deren Hilfe die Konzentrationen und Temperaturen entlang der Kolonne berechnet werden können. Eine weitere Modellierungsmethode für diese Berechnung ist der sogenannte rate-based Ansatz. Hier bleibt die o.g. Gleichgewichtsannahme aus und die Prozesskinetik (Stofftransport, Reaktion usw.) wird unmittelbar in den Bilanzgleichungen berücksichtigt. Dieser Ansatz hat eine bessere physikalische Grundlage als das Gleichgewichtsmodell und einen direkten Bezug zu den Kolonneneinbauten und zum Kolonnendesign.

An unserem Lehrstuhl wird daher weitgehend der rate-based-Ansatz verwendet. Für die Beschreibung der Transportvorgänge an der Grenzfläche zwischen zwei Phasen (bspw. Gas- und Flüssigphase) wird das Zweifilmmodell eingesetzt [1]. Für dieses Modell stehen sämtliche Parameter (in Form von Korrelationen für verschiedene Kolonnen- und Einbautentypen) zur Verfügung. Das Zweifilmmodell wurde in unserer Gruppe erweitert für die Anwendung in reagierenden und Mehrkomponentensystemen [2-3].

Anhand experimenteller Daten, welche v.a. in zahlreichen bilateralen und Kooperationsprojekten gewonnen wurden [4, 5], konnten wir die Simulationsergebnisse umfangreich validieren. Mit Hilfe der entwickelten Modelle können nicht-reaktive und reaktive Rektifikationskolonnen (inkl. Trennwandkolonnen [6]) und Absorptions-/Desorptionsprozesse [7-8] beschrieben werden.

In der nachfolgenden Abbildung sind exemplarisch experimentelle Daten und Simulationsergebnisse dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Trennwandkolonne, die ein 3-Komponentengemisch (Methanol, Isopropanol und Butanol) trennt.

[1] Kenig, E.Y.
Modeling of multicomponent mass transfer in separation of fluid mixtures
Fortschr.-Ber. VDI, Reihe 3, Nr. 633. Düsseldorf: VDI-Verlag, 2000.
[2] Kenig, E.Y., Kucka, L. and Górak, A.
Rigorous modeling of reactive absorption processes.
Chemical Engineering and Technology 26: 631-646, 2003.
[3] Kenig, E.Y., Pyhälachiti, A, Jakobssen, K., Górak, A., Aittamaa, J. and Sundmacher, K.
Advanced rate-based simulation tool for reactive distillation
AIChE Journal 50: 322-342, 2004.
[4] Kenig, E.Y. and Górak, A.
Reactive Absorption
In: Integrated Chemical Processes (Eds. K. Sundmacher, A. Kienle & A. Seidel-Morgenstern),
Weinheim: Wiley-VCH, 2005.
[5] Kenig, E.Y. and Górak, A.
Modeling of Reactive Distillation
In: Modeling of Process Intensification (Ed. F. Keil),
Weinheim: Wiley-VCH, 2007.
[6] Müller, I. and Kenig, E.Y.
Reactive distillation in a dividing wall column: rate-based modelling and simulation.
Industrial & Engineering Chemistry Research 46, 3709-3719, 2007.
[7] Huepen, B. and Kenig, E.Y.
Rigorose Modellierung und Simulation von Chemiesorptionsprozessen.
Chemie Ingenieur Technik 77: 1792-1799, 2005.
[8] Huepen, B. and Kenig, E.Y.
Rigorous modelling of NOx absorption in tray and packed columns
Chemical Engineering Science 60, 6462–6471, 2005.

Die Universität der Informationsgesellschaft