Laboratory of Reaction and Fluid Process Engineering

Studien- und Abschlussarbeiten

Modellierung von Foulingprozessen


  • Studienarbeit
  • Bachelorarbeit
  • Masterarbeit

    Wärmeübertragung


    Modellierung und Simulation von Kristallisationsfoulingprozessen
    Fouling bezeichnet die unerwünschte Belagbildung auf wärmeübertragenden Oberflächen (z.B. in Wärmeübertragern). Ein Beispiel ist die Ablagerung von Salzkristallen auf Wärmeübertragern in der thermischen Meerwasserentsalzung. Dies führt zu einer Verringerung des Wärmestroms über der Zeit. Die Folge sind erhöhte Anlagen- und Betriebskosten durch Überdimensionierung und Reinigungszyklen. Um Foulingprozesse, gerade in komplizierten Geometrien (z.B. in Plattenwärmeübertragern) prädiktiv abschätzen zu können, können mathematische Modelle, basierend auf experimentellen Ergebnissen, herangezogen werden.

    Ziele:
    Implementierung verschiedener Modellansätze in Matlab (oder ähnlicher Software) um bereits vorhandene experimentelle Daten abzubilden.
    Bei Bedarf: Gezielte Versuchsdurchführungen um notwendige experimentelle Daten für die Modelle zu generieren.

    Anforderungen:
    Grundlegende Kenntnisse in Matlab oder ähnlicher Software, die zur Implementierung der erarbeiteten Modelle genutzt werden soll.


    Ansprechpartner

    DNS Single Bubble


    • Masterarbeit

    • CFD
    • OpenFOAM
    • Direkte Numerische Simulation (DNS)
    • Volume-of-Fluid-Methode
    • Ansys Fluent
    • Level-Set-Methode

    Mit Hilfe von Direkte Numerische Simulation (DNS) sollen Simulationen von Blasenkollektiven mit freibeweglicher Oberfläche durchgeführt werden. Dabei sollen verschiedene Gasanteile und Geschwindigkeitsfelder der Phasen untersucht werden. Ziele der Arbeit sind:
    •    Literaturrecherche der Methoden zu Modellierung von freibeweglichen Oberflächen.
    •    Durchführung von Simulationen.
    •    Erzeugung von Projektionsbildern (Postprocessing)



    Ansprechpartner

    Polymerfouling


    • Studienarbeit
    • Bachelorarbeit
    • Masterarbeit
    • Projektarbeit

    Polymerfouling


    In vielen Industrieanwendungen von Wärmeübertragern kommt es aufgrund von Ablagerungen zu einem verminderten Wärmeübergang. Dieses sogenannte Fouling führt zu erhöhten Kosten im Betrieb der Anlage oder bei der Anschaffung der Apparate. Bei der Herstellung von Lacken und Farben werden oft Copolymere wie Ethylen-Vinylacetat eingesetzt. Diese neigen beim Erhitzen zu Fouling und können den Wärmedurchgang in Wärmeübertragern erheblich reduzieren.

    Anstelle der gängigen Metalle werden Materialien auf Basis des Hochleistungskunststoffs PEEK untersucht, die aufgrund ihrer geringen Oberflächenenergie resistenter gegen Polymerfouling sein könnten.

    Um Wärmeübertrager aus diesem Material untersuchen zu können, wurde bereits eine Versuchsanlage gebaut, mit der sich das Ablagerungsverhalten erforschen lässt.

    Ziele: 

    Im Rahmen der Arbeit sind die Einflüsse der Bulktemperatur, Konzentration und Wärmeleistung zu untersuchen. Die Ergebnisse sind mit den Literaturwerten von Metallen zu vergleichen.

    Anforderungen: 

    Grundlegende Kenntnisse der Wärmeübertragung.
    Selbstständige Arbeitsweise. Erfahrung mit Versuchsanlagen und/oder Laborerfahrung wünschenswert.


    Ansprechpartner

    CFD-Simulation von Einbauten im Strömungskanal


    • Studienarbeit
    • Bachelorarbeit
    • Masterarbeit
    • Projektarbeit

    CFD-Simulation von Einbauten im Strömungskanal


    In vielen Industrieanwendungen von Wärmeübertragern kommt es aufgrund von Ablagerungen, die durch das Stoffsystem bedingt sind, zu einem verminderten Wärmeübergang. Dieses sogenannte Fouling führt zu erhöhten Kosten im Betrieb der Anlage oder bei der Anschaffung. 
    Besonders widerständig gegen Fouling haben sich Materialien auf Basis des Kunststoffs PEEK erwiesen. 
    Um das Ablagerungsverhalten von foulinganfälligen Stoffsystemen auf diesem Material untersuchen zu können, wurde bereits eine Versuchsanlage mit Strömungskanal gebaut. Um den Einfluss des Foulings genau bestimmen zu können, müssen jedoch die Strömungsverhältnisse bei verschiedenen Einbauten bekannt sein. 

    Ziele:
    Im Rahmen der Arbeit sind die Einflüsse verschiedener Einbauten des Strömungskanals auf die Strömung, die Temperatur und den Druck vorauszusagen. Gegebenenfalls ist das erstellte Modell um eine Foulingkinetik zu erweitern um Voraussagen für verschiedene Stoffsysteme treffen zu können.

    Anforderungen:
    Grundlegende Kenntnisse in Ansys Fluent oder ähnlichem wünschenswert. Selbstständige Arbeitsweise. 
    Interesse an Simulationen und Strömungsmechanik.


    Ansprechpartner

    Bildoptische Untersuchung der Werkstoffbenetzung mit Kühlmittel in einem Fräsprozess


    • SA
    • BA
    • DA
    • MA

    • Konstruktion
    • Anwendung
    • Experiment 

    Für die Kühlung eines Fräsprozesses werden Flüssigstickstoff sowie ein neuartiges Kühlschmiermitttel verwendet. Für diese Arbeit soll die Benetzung des Werkstückes mit Kühlschmiermittel bildoptisch untersucht werden. Hier kommen Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz, die den Prozess sehr detailgetreu abbilden können. Die Arbeit umfasst die Auswahl der Optikkomponenten, die Konstruktion und Fertigung eines spritzwassergeschützten Gehäuses sowie die Erprobung des optischen Systems an der Fräsmaschine.

     

    Vorkenntnisse:

    Interesse an bildoptischer Messtechnik und Konstruktion. Interesse an explorativem Arbeiten.


    Ansprechpartner

    Konzeptionelle Entwicklung einer extraktiven Trennaufgabe im mehrstufigen Mixer-Settler


    • BA
    • SA
    • FA

    Experimentell und Literaturrecherche

    Extraktion, Stoffdaten, Fluiddynamik, Mixer-Settler, Umbau und Optimierung Versuchsstand, eventuell Konstruktion


    Im Rahmen des TVT1-Labors wird der Versuchsstand Extraktion betrieben. Wir möchten den Versuch inhaltlich verändern und suchen dich zur Unterstützung. Zunächst wollen wir das zu untersuchende Stoffsystem verändern. Dazu müssen Untersuchungen zu folgenden Schwerpunkten durchgeführt werden:

    - Literaturrecherche nach geeignetem Stoffsystem (Stoffdaten Mischungslücke, Gefahrenpotential der Stoffe…)
    - Gleichgewichtsversuche
    - Fluiddynamische Untersuchungen in Schüttelversuchen
    - Fluiddynamische Untersuchungen in der Laborapparatur (zweistufiger Mixer-Settler)
    - Konzept Analytik

    Zusätzlich muss die Laborapparatur umgebaut und in ihrem Betrieb optimiert werden.


    Untersuchung des Ablagerungsverhalten von Calciumsulfat


    • SA
    • BA
    • DA
    • MA

    experimentell


    Das LRF beschäftigt sich intensiv mit der Forschung an Polymerwärmeübertragern. Entgegen der gängigen Metallwerkstoffe kommen dabei Hochleistungskunststoffe wie zum Beispiel PEEK in den Wärmeübertragern zum Einsatz.

    Polymerwärmeübertrager zeigen vor allem bei Stoffsystemen die affin für Ablagerungen (Fouling) sind bessere Resistenz gegen das ungewollte Anhaften von Partikeln. Die Partikel verringern die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübertragers, sodass diese größer dimensioniert oder in kürzeren Zeitabständen gewartet werden müssen.

     

    Im Rahmen der Arbeit wird das Stoffsystem aus Wasser und Calciumsulfat untersucht, das zum Beispiel bei der Meerwasserentsalzung zum Fouling neigt. Dafür steht am Lehrstuhl bereits eine Screeningapparatur zur Verfügung, mit der das Verhalten des Salzes bei Erhitzung zu erforschen ist.

     

    Anforderungen:

    • Selbstständige Arbeitsweise
    • Laborerfahrung von Vorteil
    • Interesse am experimentellen Arbeiten

    Ansprechpartner

    Aufbau und Inbetriebnahme eines DN 80 Rieselbett-Reaktors


    • Studienarbeit

    Mehrphasenreaktor

    Optische Messtechnik

    Experimentelle Arbeit


    Der Rieselbettreaktor ist ein in der chemischen Industrie weit verbreiteter Mehrphasenreaktor, der sich durch seine Flexibilität und Einfachheit in der Ausführung und Bedienung auszeichnet. Er besteht aus einem Partikelfestbett, welches von einer flüssigen und einer gasförmigen Phase durchströmt wird. In dieser Arbeit soll der Aufbau eines Rieselbettreaktors in DN 80 realisiert werden und eine etablierte bildoptische Messtechnik implementiert werden. Nach Aufbau der Anlage werden noch erste Versuche durchgeführt, um die Funktionalität der Anlage zu bestätigen. Du solltest Interesse am experimentellen und handwerklichen Arbeiten mitbringen.


    Ansprechpartner

    Validation OMOP Experimentell


    • Masterarbeit

    • Mehrphasen Strömung
    • Experimentelle Arbeit
    • OMOP

     


    Experimentelle Untersuchung des Einflusses der OMOP auf die Strömung und die Blasengrößenverteilung.

    Die Erhebung von Blasengrößenverteilungen ist eine anspruchsvolle Messaufgabe. Am Lehrstuhl wurde die Optical Multimode Online Probe (OMOP) entwickelt. Dieses Messgerät ist ein bildgebendes Verfahren die Blasengröße zu bestimmen. Als eine invasive Messtechnik beeinflusst die OMOP die Strömung und damit die zu erhebende Messgröße (Blasengrößenverteilung).

    Ziele dieser Arbeit sind:

    • Theoretische Fehleranalyse und -abschätzung.
    • Experimentelle Ermittlung des Strömungseinflusses der OMOP (Variation: Durchmesser OMOP, Durchmesser Kolonne, Prozessbedingungen; Messung: Δp, uk,bevor, uk,in, uk,after
    • Experimentelle Untersuchung des Einflusses der OMOP auf die Blasengrößenverteilung mit Hilfe einer Nadelsonde.


    Diese Arbeit kann im Tandem (zwei Personen arbeiten am gleichen Thema) mit der Arbeit „Simulative Untersuchung des Einflusses der OMOP auf die Strömung und die Blasengrößenverteilung.“ absolviert werden.


    Ansprechpartner

    CFD-Simulation von Plattenwärmeübertragern


    • Studienarbeit
    • Bachelorarbeit
    • Masterarbeit

    • Wärmeübertragung
    • Modellierung und Simulation
    • Ansys-Fluent

    CFD-Simulation von Plattenwärmeübertragern mit Ansys Fluent.
    Plattenwärmeübertrager kommen in vielen Bereichen der Industrie zum Einsatz. Der Grund hierfür ist unter anderem das Erreichen sehr großer Wärmedurchgangskoeffizienten durch eine starke Verwirbelung der Strömung im Wärmeübertrager. Adäquat ausgeführt können CFD-Simulationen, im Vergleich zu Korrelationen, die meist mit starken Vereinfachungen arbeiten, Ergebnisse liefern, die deutlich exakter ausfallen. Allerdings sind hierfür, gerade im Hinblick auf große Geometrien teils extreme Rechenleistungen erforderlich. Eine Möglichkeit diese Rechenleistung zu reduzieren ohne die Ergebnisse zu stark zu beeinflussen ist die Verwendung von Porositätsmodellen. Die Geometrie des zu simulierenden Apparates wird hierfür stark vereinfacht. Um trotzdem vertrauenswürdige Ergebnisse zu erhalten müssen die Parameter des Modells entweder an experimentelle Ergebnisse, Korrelationen oder detaillierte CFD-Simulationen angepasst werden.

    Ziele:
    Exakte Simulation eines Ausschnitts der Geometrie eines Plattenwärmeübertragers. Die Ergebnisse dieser Simulation (Daten zu Druckverlust und Wärmeübergang) werden dann in ein Porositätsmodell implementiert um den gesamten Wärmeübertrager zu berechnen.

    Anforderungen:
    Grundlegende Kenntnisse in Ansys Fluent oder ähnlicher Software, die für die Simulationen genutzt werden soll.


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    Nadelsonde


    • Masterarbeit
    • Bachelorarbeit
    • Studienarbeit
    • Projektarbeit

    • Multiphasen Strömung
    • Experimentelle Arbeit
    • Nadelsonden

      Experimentelle Untersuchung von Zweiphasen Strömungen mit einer Nadelsonde.

      Die Charakterisierung von Mehrphasenströmungen ist eine anspruchsvolle Messaufgabe. Um Modelle zu validieren, Prozessbedingungen zu charakterisieren und neue Phänomene zu entdecken ist es von grundlegender Wichtigkeit verschiedene Messgrößen einer Strömung zu erfassen. Eine Mehrphasenströmung wird definiert durch sein Geschwindigkeitsfeld, Temperaturfeld, Konzentrationsfeld der Spezies, Druckfeld, Phasenverteilung und Größen- und Formverteilung im Falle einer dispersen Phase. Die gleichzeitige Erhebung dieser Größen ist aufgrund der Natur von Mehrphasenströmungen wie Turbulenz, sehr große Dichteunterschiede der Phasen, allgemein stark unterschiedliche physiochemische Eigenschaften der Phasen und starker räumlicher Verteilung dieser Messgrößen, extrem schwierig. Prinzipiell wird bei der Erhebung zwischen nicht invasiven und invasiven Messmethoden unterschieden. Nicht invasive Methoden wie Laser Doppler Anemometry oder tomografische Methoden beeinflussen zwar nicht die Messgröße besitzen aber einen sehr großen und teuren Messstandsaufbau und die Anwendung auf komplexe Systeme (Reaktorgeometrie, Stoffsystem, hoher dispers Phasenanteil) ist limitiert. Invasive Methoden wie Gittersensoren, Optical Multimode Online Probe (OMOP) beeinfluss hingegen die Strömung und damit die Messgrößen können aber deutlich flexibler, kostengünstiger und auch in industriellen Apparaten eingesetzt werden. Die Nadelsonde ist ebenfalls eine solche invasive Messmethode und liefert die Blasen- und Phasengeschwindigkeit, die Größenverteilung und den Phasenanteil der dispersen gas Phase gleichzeitig mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung an einem Raumpunkt. Durch Veränderung der Sensor Position kann eine räumlich fein aufgelöste Messung erhalten werden. Nachteil der Nadelsonde ist, dass die Größenverteilung nicht direkt gemessen wird, sondern indirekt über die Geschwindigkeit und Verweilzeit der Blase an der Sonde. Die Verweilzeit kann präzise ermittelt werden, die Blasengeschwindigkeit hingegen wird mit empirischen und gefitteten Korrelationen mit der Durchstechungszeit beschreiben. Letzteres machte eine fortlaufende und exakte Kalibrierung notwendig. Die so erhobene Größenverteilung ist eine Durchstechungslängenverteilung (CLD) und keine Blasengrößenverteilung (BSD). Eine Umrechnung einer CLD in eine BSD ist mit Hilfe verschiedener Ansätze möglich.  
      Ziele dieser Arbeit sind:

      • Aufbau eines Versuchstand zur Kalibrierung der Nadelsonde mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera.
      • Durchführung von Messungen mit der Nadelsonde und der OMOP im zweiphasigen Stoffsystem.
      • Auswertung der Messergebisse: Vergleich und Einordung in die Literatur.
      • Umrechnung der erhobenen CLD’s in BSD’s mit verschieden Umrechnungsmethoden.
      • Erstellung eines Softwaretools: CLD to BSD (Julia oder MATLAB oder Python)
      • Vergleich der verschiedenen Umrechnungsmethoden mit der BSD der OMOP.

       


      Ansprechpartner

      Blasensäule (2)


      • Masterarbeit
      • Projektarbeit
      • Forschungsprojekt

      • Experimentelle Parameterstudie
      • Blasensäulen
      • Mehrphasenreaktoren
      • Populationsbilan

      Blasensäulen werden häufig als Mehrphasenreaktoren für Gas-Flüssig-Reaktionen in industriellen Anwendungen eingesetzt. Für die Sensitivitäts- und Nutzbarkeitsanalyse der Blasensäule in der Prozessentwicklung wurde ein Modell entwickelt, das die Kopplungen zwischen der Fluiddynamik und der Populationsbilanz (PBE) berücksichtigt. Das entwickelte Modell soll nun mit experimentellen Daten kalibriert werden. Dazu soll an einer bereits vorhandenen Versuchsanlage Prozessparameter wie Gasleerrohrgeschwindigkeit, Flüssigkeit Holdup und Stoffsystem variiert werden und die Blasengrößenverteilung als auch der Gas Holdup vermessen werden. Zusätzlich soll untersucht werden inwieweit ein auf ein Teil der Messdaten kalibriertes Modell die restlichen Messdaten vorhersagen kann.


      Ansprechpartner

      Simulation of Optical Multimode Online Probes in Bubble Flows using Real-Time Ray Tracing Techniques


      • BA
      • MA

      • ray tracing and path tracing
      • OMOP

      Goals:

      The overall goal is to apply computer graphics techniques (modeling & rendering) to create a virtual OMOP model 
      that produces approximately realistic images, to be used in ML model training.
      • Creation of a virtual OMOP model, consisting of geometry and (approximate) material properties.
      •  Creation of randomized bubble distributions according to given parameters.
      •  Simulation OMOP image acquisition using hardware-accelerated real-time ray tracing and path tracing techniques. 
      •  Compare simulated OMOP images against ground truth.
      Depending on interest and progress, further goals such as extension to three-phase setups, extension to videos, and ML 
      model improvment could be investigated.


      Ansprechpartner

      Neubau des TVTII-Laborversuchs Kolonnenhydraulik mit Schwerpunkt Verfahrenstechnische Auslegung


      • SA
      • BA
      • TA

      Ingenieurstechnische theoretische Auslegung 


      Der Laborversuch Kolonnenhydraulik soll im Zuge des Lehrstuhlumbaus neu ausgelegt, gefertigt und aufgebaut werden. In dieser Arbeit soll eine verfahrenstechnische Auslegung für den betreffenden Versuchsstand durchgeführt werden. Auf Grundlage verfügbarer Daten und Korrelationen der wissenschaftlichen Literatur werden die benötigten Massenströme ermittelt sowie die konstruktiven Details der Bodenarten festgelegt. Diese Daten werden dem Schwerpunkt „Konstruktion“ übergeben, welcher den Versuchsstand mittels CAD konstruieren wird. 


      Ansprechpartner

      Neubau des TVTII-Laborversuchs Kolonnenhydraulik mit Schwerpunkt Konstruktion


      • SA
      • BA
      • TA

      Computergestützte Konstruktion (CAD) eines Laborversuchsstandes


      Der Laborversuch Kolonnenhydraulik soll im Zuge des Lehrstuhlumbaus neu ausgelegt, gefertigt und aufgebaut werden. In dieser Arbeit soll die konstruktive Gestaltung des Versuchsstandes mittels CAD durchgeführt werden. Die Rahmenbedingungen für Auslegung und Dimensionierung des Standes kommen aus dem Schwerpunkt „Verfahrenstechnische Auslegung“, welche die Kooperationsarbeit zu deiner Arbeit darstellt. Die Arbeit wird mit einem Concept-Engineering beginnen und anschließend ein Detailed Engineering erarbeiten.


      Ansprechpartner

      Untersuchung von Heizgläsern für bildoptische Analyseverfahren


      • SA
      • BA
      • DA
      • MA

      experimentell


      In verfahrenstechnischen Apparaten liegen in fast allen Fällen mehrphasige Strömungen vor. Für die Auslegung und den Betrieb der Anlagen ist ein genaues Wissen über die disperse Phase (Tropfen, Blasen, Feststoff) notwendig. Bildoptische Systeme sind in der Lage einen Blick in den Prozess zu werfen und Größen, Geschwindigkeiten und Formen der Partikeln zu untersuchen. Je Anwendungsgebiet kann der optische Zugang zur dispersen Phase jedoch erschwert sein. So ist die bildoptische Aufnahme von z.B. Flüssigkeitstropfen in Luft (Spray) eine Herausforderung, wenn viele Tropfen vorliegen, die das Sichtglas des Aufnahmesystems benetzen (s. Abb. unten). Heizgläser können hier Abhilfe schaffen, da sie auf dem Glas auftreffende Tropfen verdampfen können. Im Rahmen dieser Arbeit sollen daher mehrere Gläser beschafft, in Betrieb genommen und auf ihre Eignung untersucht werden. Der Start der Arbeit ist ab sofort möglich.


      Ansprechpartner

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