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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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Kolloquium Verbrennungstechnik

Programm des "Kolloquium Verbrennungstechnik" für das WS-2019/20 ist verfügbar.
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Verbrennungstechnisches Seminar

Programm des "Verbrennungstechnischen Semiars" für das WS-2019/20 ist verfügbar.
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Bachelor- und Masterarbeiten

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Chemische Kinetik
Mit dem Beginn der Industrialisierung ist der Bedarf an Primärenergie, Chemikalien und Transport enorm angestiegen. Dieser Anstieg ist durch technische Errungenschaften im Bereich der technischen Chemie, der chemischen Prozess- und Anlagentechnik möglich gewesen. Trotz des enormen Fortschrittes führt die unkontrollierte Produktion unvermeidbar zu Umweltproblemen, wie beispielsweise zu Klimaveränderungen oder zur Emission gesundheitsgefährdender oder gar toxischer Produkte.

Aromatische und poly-aromatische Verbindungen sind wichtige Komponenten bzw. Additive von Kraftstoffen. Sie werden darüber hinaus auch bei Pyrolyse-Reaktionen, in Verbrennungsprozessen gebildet und werden als wichtige Precursoren und Zwischenprodukte für Ruß angesehen. Die Abbauprodukte dieser Spezies in Verbrennungs-und Oxidationsreaktionen involvieren den Einbau von Sauerstoff durch Reaktionen mit sauerstoffhaltigen -Radikalen sowie mit molekularem Sauerstoff und bilden Spezies wie Peroxide oder ungesättigten Kohlenwasserstoffen.


Es hat sich gezeigt, dass ab initio- und DFT- Methoden ausgezeichnete Werkzeuge für die Ermittlung von unbekannten thermochemischen Eigenschaften (Enthalpien, Entropien und Wärmekapazitäten bei verschiedenen Temperaturen) sowie kinetischen Parameter von kleineren und größeren Molekülen sind. Die nachgewiesene Genauigkeit quantenmechanischer Berechnungen lassen sie als geeignete Methoden erscheinen, um sie als kosteneffektive Alternativen zu zeitraubenden oder schwierigen Experimenten anzusehen. Diese Daten dienen der Modellierung im Bereich der atmosphärischen Chemie, in der Verbrennung sowie bei industriellen Prozessen.

 

Renewable Power Generation by Solar Particle Receiver Driven Sulphur Storage Cycle
(PEGASUS)
In PEGASUS wird ein neues Verfahren für die Elektrizitätserzeugung auf Basis erneuerbarer Energie untersucht. Dieses Verfahren kombiniert die Technologie des konzentrierenden Energieeintrags aus Sonnenenergie durch einen Kollektor auf Basis einer Partikelzentrifuge mit einem Energiespeichersystem auf Schwefelbasis. Der vorgeschlagene Prozess verbindet strömende Partikel als Wärmeübertragermedium, die zusätzlich als direktes thermisches Speichermedium verwendet werden können, mit der indirekten thermochemischen Speicherung von Sonnenenergie in festem Schwefel. Dadurch wird die Einbindung eines Sonnenkraftwerks als regenerativer Stromerzeuger im 24-Stunden Betrieb ermöglicht.

Prozessschema des solaren Schwefelkreisprozesses / Bildquelle: DLR

Das übergeordnete Ziel von PEGASUS ist die Entwicklung und Demonstration eines innovativen Sonnenturm Systems das auf einem Kollektor mit festen Partikeln basiert in Kombination mit einem thermochemischen Speichersystem für Sonnenenergie auf Grundlage von elementarem Schwefel.  So soll eine verlässliche Stromerzeugung bei signifikanter Kostenreduktion im Vergleich zu aktuellen Konzepten ermöglicht werden. Die Technologie wird unter realen Bedingungen im Sonnenturm Jülich (STJ) in Deutschland erprobt.
Dazu müssen vom KIT die folgenden projektspezifischen technischen Ziele erreicht werden:  
  • Die Entwicklung und Realisierung eines neuen Schwefelbrenners im Laboratoriumsmaßstab, der es ermöglicht in einem Bereich von 10-50 kW stabile Verbrennungsbedingungen mit > 99% Verbrennungswirkungsgrad und Leistungsdichten von > 1,5 MW/m3 (Dies entspricht einem Wert, der dreimal höher ist als bei konventionellen Schwefelverbrennungsanlagen) unter atmosphärischen Bedingungen und Temperaturen >1400°C .
  • In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wird die Durchführbarkeit des Gesamtprozesses demonstriert, das detaillierte Gesamtfließschema erstellt und eine Analyse des optimierten, integrierten Prozesses, der auf 5MWth skaliert ist, durchgeführt. Dabei wird auch eine Bewertung der Technologie gegenüber der Zielstellung durchgeführt.

Weitere Informationen sind in einer Pressemitteilung des KIT erläutert und an der Internetseite des Projekts (Link unten).

 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:



Molekulare Modellierung und Simulation in der Verfahrenstechnik
(DFG_SPP_1155)
Chemical processes, like adsorption and chemical reactions taking place at interfaces in gas/solid or liquid/solid systems are of great importance in chemical engineering. Amongst others, the gas phase synthesis of non organic oxides like TiO2 and SiO2, the carbon deposition from the gas phase for high-performance materials or the soot formation are widely used industrial processes, where gas/solid chemical reactions play an important role. The analysis and understanding of the reactions at interfaces in these systems could have an important impact on the optimisation of methods of synthesis as well as a better control of product properties. With the help of Quantum Chemistry methods, this study projects to analyse the gas/solid interface processes of the above systems, which means chemical reactions gas/solid as well as weak interaction reactions with the surface. That requests in prior the calculation of thermodynamic properties of the partner reactions and the determination of all transition states products which occurs during the complicated reaction processes and between the precursors and the surface. The surface of the solid particles will be represented by a molecule model or molecule cluster. Another target for this study is to derive and develop new reaction path.

Peroxid Poolflammen
(ZN11766_10)
Es hat sich gezeigt, dass die bisherigen weit verbreiteten Oberflächen-Strahlungsmodelle, ohne Berücksichtigung chemischer Reaktionen (Verbrennungsmodelle) sowie ohne Turbulenz- und Rußmodelle zur Abschätzung des Gefahrenpotentials von Schadenfeuern, überdacht werden müssen. Stattdessen sind fluiddynamische kohärente Strukturen und CFD-Simulationen wechselwirkender Brände zu betrachten, unter Einbeziehung obiger, teils zu entwickelnder Submodelle.

Insbesondere soll das Wissen über die Wechselwirkungsphänomene zwischen zwei und einer größeren Anzahl von Poolbränden experimentell und mit CFD-Simulation untersucht werden. Außerdem soll das Wissen über die Länge der sog. klaren Verbrennungszone, die nicht mit schwarzen Rußballen bedeckt ist, vertieft werden. Ebenfalls soll das Wissen über die spezifische Ausstrahlung (SEP) bei Einzel- und wechselwirkenden schwarz rußenden Bränden erweitert werden.

Von großer Bedeutung und eine Voraussetzung für die Erreichung der oben genannten Ziele ist außerdem die Erweiterung des Wissens über die chemischen Elementarreaktionen in Peroxid-Poolfeuern insbesondere auch hinsichtlich der Rußbildung in solchen und in KW- Poolfeuern. Hierzu werden Mechanismen der Rußbildung verbessert und Reaktionsmechanismen für die Verbrennung von organischen Peroxiden entwickelt und in CFD-Werkzeuge integriert. Ansätze hierfür sind z.B. Flamelet-Konzepte, die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens verfolgt werden sollen.

In diesem Forschungsvorhaben soll die Untersuchung der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und Di-tert-butylperoxid (DTBP), (CH3)3C-O-O-C(CH3)3 in O2/N2-Flammen durchgeführt werden.

Durch diese interdisziplinäre Vorgehensweise können die folgenden Ziele erreicht werden:
  • Verbesserung und Entwicklung von Reaktionsmechanismen für die Bildung und Oxidation von Ruß bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen bzw. Verbrennung von organischen Peroxiden (DTBP). Hierzu ist es erforderlich, für die einzelnen relevanten chemischen Reaktionen dieser Stoffsysteme die kinetischen Daten zu ermitteln, um für jeden Reaktionsweg dieses Systems die Geschwindigkeitskoeffizienten als Funktion der Temperatur und des Drucks zu erhalten
  • eine deutlich realistischere Abschätzung der SEP von KW- und Peroxid-Poolbränden
  • eine erstmalige Abschätzung der SEP von wechselwirkenden KW- und Peroxidbränden
  • eine deutlich verbesserte Abschätzung thermischer Abstände zwischen Poolbränden und benachbarten Schutzobjekten sowie die Erarbeitung von
  • Vorschlägen für Maßnahmen zur Brandvermeidung im Umgang mit entzündbaren und selbst zersetzlichen Flüssigkeiten in verfahrenstechnischen Anlagen.



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