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Verknüpfung von CFD und Tropfenpopulationsbilanzen (TPBM) in der Extraktion

Das Projekt "Verknüpfung von CFD und Tropfenpopulationsbilanzen (TPBM) in der Extraktion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik durchgeführt. Der erste Teil des Forschungsvorhabens (Start April 2006) wurde erfolgreich abgeschlossen. Im folgenden werden die Erfolge des ersten Projektabschnitts und die Ziele und Ergebnisse des zweiten Projektabschnitts zusammengefasst. 1. Abschnitt: Zu Beginn des Projekts waren CFD-Simulationen von zweiphasigen flüssig-flüssig betriebenen Extraktionskolonnen in der Literatur quasi nicht vorhanden. Im ersten Teil wurden daher zunächst zweiphasige CFD.Simulationen mit konstanten Tropfendurchmessern ohne Berücksichtigung von Populationsbilanzen erfolgreich durchgeführt. In beiden CFD Tools konnten die ein- und zweiphasigen Strömungsbedingungen in einem Rotating Disc Contactor vorhergesagt werden (1,2). Ein- und zweiphasige Particle Image Velocimetry Messungen ermöglichten einen Vergleich und eine Validierung der Simulationen. Im nächsten Schritt wurden Methoden zur Lösung der Populationsbilanzen in die CFD codes integriert. Die Standardvorgehensweise ist, dass für jede Phase in CFD ein Fluid verwendet wird (Two-Fluid Model) und sich die disperse Tropfenphase mit dem Sauterdurchmesser (d32) bewegt, der mit Hilfe der Populationsbilanzen berechnet wird. Die klassischen Lösungsmethoden, Klassenmethode und Momentenmethode (Quadrature Method of Moments), wurden im Rahmen von Fluent untersucht (4). In diesem Zusammenhang wurden auch mehrere Literaturmodelle für Zerfall und Koaleszenz der Tropfen in Fluent integriert und verglichen. Es zeigte sich, dass eine Vorhersage der Tropfengröße in einer 5 Compartment Sektion eines RDC Extraktors, bei richtiger Wahl der Modelle, möglich ist. Bei der Kopplung zwischen CFD und PBM ist die Momentenmethode vorzuziehen, da hier der Rechenaufwand wesentlich geringer ist, bei besserer Genauigkeit des Sauterdurchmessers. Sowohl in Fluent als auch in FPM wurde die Sectional Quadrature Method of Moments (SQMOM) implementiert (5-7). Die SQMOM als eine adaptive Methode ist für die Verwendung in CFD sehr gut geeignet. Im Gegensatz zum Zwei-Fluid CFD-Modell können im Multi-Fluid Modell tropfengrößenspezifische Aufstiegsgeschwindigkeiten wiedergegben werden. 2. Abschnitt: Während die reine Verknüpfung und die Vorhersage der Zweiphasenströmung im ersten Forschungsabschnitt realisiert wurden, sollen im weiteren Forschungsvorhaben die Vorhersagemöglichkeiten weiterentwickelt werden. Ziele sind hierbei ein Turbulenzmodell für FPM zu realisieren und zu validieren, mit dessen Hilfe Zerfall und Koaleszenz der Tropfen modelliert werden. Am Lehrstuhl f. Thermische Verfahrenstechnik sind Untersuchungen zur Messung der Turbulenz und zum Zerfall der Tropfen geplant. Eine integrierte Betrachtung von experimentellen und simulierten Turbulenzgrößen zusammen mit Zerfall und Koaleszenz der Tropfen soll zu einer Verbesserung der Vorhersage führen. Die Berücksichtigung von Stofftransport mit Hilfe eines bivariaten Populationsbilanzmodells wird die Beschreibung des Stoffaustauschs ermöglichen. (Text gekürzt)

Erprobung eines geschlossenen Hochleistungsreaktors fuer die biologische Abwasserreinigung

Das Projekt "Erprobung eines geschlossenen Hochleistungsreaktors fuer die biologische Abwasserreinigung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Berlin, Fachbereich 10 Verfahrenstechnik, Institut für Chemieingenieurtechnik durchgeführt. Untersuchung eines Bioreaktors fuer die biologische Abwasserreinigung. Der Reaktor besteht aus einem zylindrischen Behaelter, in dem sich zum dispergieren der Luft und zur Durchmischung der Biosuspension eine Hubeinrichtung befindet. Die Hubeinrichtung - bestehend aus einer Hubstange mit Lochscheiben - ist massgebend fuer die Leistungsfaehigkeit des Bioreaktors. Aus diesem Grunde soll der Einfluss von Hubfrequenz, Hubamplitude und Abstand der Lochscheiben auf die Verweilzeit des Abwassers untersucht werden. Weitere zu untersuchende Einflussgroessen sind: Bakterienkonzentration, Ruecklauf der Biokonzentration und Energiebedarf.

Granulare Mischungen mit maßgeschneiderten Dämpfungseigenschaften

Das Projekt "Granulare Mischungen mit maßgeschneiderten Dämpfungseigenschaften" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Mechanik (Bauwesen), Lehrstuhl II (Kontinuumsmechanik) durchgeführt. Lärm und unkontrollierte Vibrationen sind in vielen industriellen und geotechnischen Anwendungen problematisch. Akustische Wellen auf Straßen und Schiene, oder verursacht durch Erdbeben, pflanzen sich durch die typischerweise granularen Strukturen im Boden, in Beton, oder in Asphalt mit einer ganz eigenen Charakteristik fort, wobei das Material die Geschwindigkeit, die Dämpfung und den Frequenzbereich der transmittierten Wellen beeinflusst. In unserem innovativen Projekt wollen wir granulare Materialien in 'granulare Dämpfer' verwandeln indem wir sowohl Teilcheneigenschaften als auch die Mischungszusammensetzung der weichen bzw. steifen Teilchen einer granularen Mischung in weiten Bereichen variieren. Das Ziel ist, effektive Materialeigenschaften wie Dämpfung oder Dispersion zu optimieren, und Frequenzfilterung durch Bandlücken optimal auszunutzen. Um dieses Ziel zu erreichen werden wir das Projekt von zwei Seiten aufrollen: Einerseits werden wir physikalische Experimente durchführen in denen wir Materialien mit unterschiedlichsten dämpfenden und elastischen Eigenschaften in allen Mischverhältnissen kombinieren. Andererseits werden wir dazu komplementär auch direkte Teilchen-Simulationen (DEM) durchführen um die mikromechanischen Mechanismen abzubilden und die effektiven Eigenschaften der Mischung quantitativ zu modellieren und zu verstehen. Nach sorgfältigster Analyse werden sowohl die experimentellen als auch die numerischen Daten dazu verwendet um ein stochastisches makroskopisches Modell weiterzuentwickeln das den Transport von Energie zwischen verschiedenen Frequenzbändern mit einer Master-Gleichung beschreibt. Dies kann schlussendlich dazu verwendet werden um in vielen Anwendungen neue, bessere Materialeigenschaften zu erzielen. Vorarbeiten: In den letzten Jahren habe wir bereits Wellenausbreitung und Dämpfung in granularen Mischungen von weichen und harten Teilchen unter verschiedenen hydrostatischen Kompressionsdrücken untersucht. Bisher konzentrierten wir uns auf mono-disperse Glas-Gummi Mischungen um das Zusammenspiel von Komposition und Spannungszustand zu verstehen. Ein überraschendes Ergebnis ist dabei, dass wir leichtere Packungen mit 15-20% Gummi herstellen konnten die bessere elastische und viel bessere Dämpfungseigenschaften hatten. Arbeitsplan: Zuerst wollen wir den kombinierten Einfluss von verschieden großen weichen und harten Teilchen in Mischungen untersuchen. Nach sorgfältiger Analyse im Frequenz-Raum werden wir die komplexe Wechselwirkung zwischen Teilchen- und System-Eigenschaften, sowie zwischen Energie-Absorption und -Propagation benutzen um ein stochastisches Model reduzierter Ordnung zu formulieren, das die Fortpflanzung von Wellen für alle Frequenzen in Raum und Zeit vorhersagen kann. Innovativ ist, dass wir nicht nur die niedrigeren Eigenfrequenzen modellieren, sondern alle Frequenzen, da insbesondere die hohen Frequenzen am wichtigsten für die Dämpfungseigenschaften in der Anwendung sind.

Umfassende Prozessuntersuchungen zur heterogenen Eisnukleation: von einzelnen Wolkentropfen zu Wolkensimulationen

Das Projekt "Umfassende Prozessuntersuchungen zur heterogenen Eisnukleation: von einzelnen Wolkentropfen zu Wolkensimulationen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Atmosphärische Aerosolforschung durchgeführt. Verlässliche Vorhersagen von Wetter und Klimawandel erfordern ein gutes Verständnis der Eisbildung in troposphärischen Wolken. Von besonderer Bedeutung ist dabei die sogenannte heterogene Eisnukleation durch atmosphärische Aerosolpartikel. Das hier beantragte Projekt beinhaltet eine umfassende Untersuchung der heterogenen Eisnukleation in Zirruswolken und Mischphasenwolken, gemeinsam mit 8 weiteren Projekten der Forschergruppe INUIT. Eisbildung durch Kontaktgefrieren wird für einzelne Tröpfchen in einem elektrodynamischen Levitator (Paulfalle) untersucht. Experimente zum Einfluss von Aerosolen auf Immersionsgefrieren, Kontaktgefrieren und Depositionsnukleation werden in der AIDA-Wolkenkammer und einer neuen dynamischen Wolkenkammer durchgeführt, falls diese wie geplant bis Anfang 2016 zur Verfügung stehen wird. Hauptziele und Arbeitspakete des Projekts sind (a) Untersuchungen zum Immersionsgefrieren, Kontaktgefrieren und zur Depositionsnukleation von INUIT-2 Referenzaerosolen in enger Zusammenarbeit mit allen anderen lNUlT-2-Partnern, (b) AIDA-Wolkensimulationsexperimente mit redispergierten atmosphärischen Aerosolen die auf Filtern gesammelt wurden (in Zusammenarbeit mit RP8), (c) AIDA-Experimente mit porösen Partikeln zur Untersuchung des Einflusses von Kapillarkondensation und Prä-aktivierung auf Eisnukleationsprozesse, (d) EDB-Experimente zur Kontaktnukleation mit atmosphärisch relevanten und komplexen Aerosolen, (e) Untersuchungen zu den grundlegenden Mechanismen des Kontaktgefrierens, (f) die Entwicklung einer umfassenden und einheitlichen Parametrisierung heterogener Eisnukleation in enger Zusammenarbeit mit RP3 und RP5, (g) erste Experimente zur Kontaktnukleation in einer neuen Wolkenkammer unter Nutzung der Expertise aus langjährigen Experimenten zum Kontaktgefrieren und mit der Wolkensimulationskammer, (h) die Durchführung von zwei AIDA-Messkampagnen, eine nur für die INUIT-2- Partner und eine mit internationaler Beteiligung, bei denen Labormethoden und Feld Instrumente für die Messung von Aerosolen und eisbildenden Partikeln getestet und miteinander verglichen werden um hohe internationale Standards in der Eisnukleationsforschung zu entwickeln und zu erhalten. Die Aktivitäten an der AIDA-Wolkenkammer bieten auch eine gute Verknüpfung der Labor-, Feld und Modellieraktivitäten innerhalb der Forschergruppe INUIT und mit externen Partnern. In Ergänzung der laufenden INUIT-Arbeiten möchten wir in weiteren drei Jahren der Forschergruppe folgende neue Schwerpunkte setzen: die Eisnukleationseigenschaften von porösen Partikeln, Immersionsgefrieren und Depositionsnukleation von größenselektierten Partikeln mit Durchmessern bis zu einigen Mikrometern, die Quantifizierung von Kontaktgefrierraten von atmosphärisch relevanten komplexen Aerosolpartikeln, und erste Wolkenkammerexperimente zum Kontaktgefrieren. Außerdem werden wir die Erstellung und Pflege einer neuen Datenbank für Laborergebnisse zur heterogenen Eisnukleation unterstützen.

Holocene dynamics of tropical rainforest, climate, fire, human impact and land use in Sulawesi and Sumatra, Indonesia

Das Projekt "Holocene dynamics of tropical rainforest, climate, fire, human impact and land use in Sulawesi and Sumatra, Indonesia" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Göttingen, Albrecht-von-Haller-Institut für Pflanzenwissenschaften, Abteilung für Palynologie und Klimadynamik durchgeführt. The present-day configuration of Indonesia and SE Asia is the results of a long history of tectonic movements, volcanisms and global eustatic sea-level changes. Not indifferent to these dynamics, fauna and flora have been evolving and dispersing following a complicate pattern of continent-sea changes to form what are today defined as Sundaland and Wallacea biogeographical regions. The modern intraannual climate of Indonesia is generally described as tropical, seasonally wet with seasonal reversals of prevailing low-level winds (Asian-Australian monsoon). However at the interannual scale a range of influences operating over varying time scales affect the local climate in respect of temporal and spatial distribution of rainfall. Vegetation generally reflects climate and to simplify it is possible to distinguish three main ecological elements in the flora of Malaysia: everwet tropical, seasonally dry tropical (monsoon) and montane. Within those major ecological groups, a wide range of specific local conditions caused a complex biogeography which has and still attract the attention of botanists and biogeographers worldwide. Being one of the richest regions in the Worlds in terms of species endemism and biodiversity, Indonesia has recently gone through intensive transformation of previously rural/natural lands for intensive agriculture (oil palm, rubber, cocoa plantations and rice fields). Climate change represents an additional stress. Projected climate changes in the region include strengthening of monsoon circulation and increase in the frequency and magnitude of extreme rainfall and drought events. The ecological consequences of these scenarios are hard to predict. Within the context of sustainable management of conservation areas and agro-landscapes, Holocene palaeoecological and palynological studies provide a valuable contribution by showing how the natural vegetation present at the location has changed as a consequence of climate variability in the long-term (e.g. the Mid-Holocene moisture maximum, the modern ENSO onset, Little Ice Age etc.). The final aim of my PhD research is to compare the Holocene history of Jambi province and Central Sulawesi. In particular: - Reconstructing past vegetation, plant diversity and climate dynamics in the two study areas Jambi (Sumatra) and Lore Lindu National Park (Sulawesi) - Comparing the ecological responses of lowland monsoon swampy rainforest (Sumatra) and everwet montane rainforests (Sulawesi) to environmental variability (vulnerability/resilience) - Investigating the history of human impact on the landscape (shifting cultivation, slash and burn, crop cultivation, rubber and palm oil plantation) - Assessing the impact and role of droughts (El Niño) and fires - Adding a historical perspective to the evaluation of current and future changes.

Calcium cycling in the soil-fig-bat compartment of a neotropical rain forest on spatially heterogeneous substrate

Das Projekt "Calcium cycling in the soil-fig-bat compartment of a neotropical rain forest on spatially heterogeneous substrate" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bern, Geographisches Institut, Gruppe Bodenkunde durchgeführt. Calcium supply in tropical soils is variable and frequently low. In spite of the heterogeneous Ca supply, some plant species, such as figs, maintain high Ca concentrations in their tissues. Figs are keystone species with more than proportional importance for the functioning of a tropical rain forest. High Ca concentrations in fig fruits may render them particularly attractive for frugivorous vertebrates. We propose to study the whole Ca cycling from soil through a selected fig species, Ficus insipida Willd. and frugivorous bats, their main dispersers, back to soil. The study will be conducted in Panama on sites differing in soil Ca status to assess the importance of soil Ca availability for fig fruit content and bat reproduction. We will quantify aboveground Ca fluxes for 16 trees along a gradient of Ca availability in soil. We will determine (1) Ca concentrations in soils, figs and leaves, (2) nutritional quality of fig and other bat-dispersed fruits and their importance for Ca balance in relation to reproduction of fruit-eating bats, (3) Ca fluxes with litterfall, throughfall, stemflow, bat pellets and faeces, (4) the importance of the contribution of bats to the Ca cycle of individual fig trees, and (5) the effect of fig trees on soil Ca concentrations.

European long-term ecosystem, critical zone and socio-ecological systems research infrastructure PLUS (eLTER PLUS)

Das Projekt "European long-term ecosystem, critical zone and socio-ecological systems research infrastructure PLUS (eLTER PLUS)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helsingin Yliopisto durchgeführt.

Teilvorhaben 2: Herstellung der Biopolymerdispersion und Testung der Bioabbaubarkeit

Das Projekt "Teilvorhaben 2: Herstellung der Biopolymerdispersion und Testung der Bioabbaubarkeit" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Pilot Pflanzenöltechnologie Magdeburg e.V. durchgeführt. Für den PPM sind im Projekt zwei Zielstellungen zu verfolgen: in AP 2 die Charakterisierung und Herstellung der Polymersuspension und in AP 5 die Untersuchungen zum Bioabbau der beschichteten Materialien. Die Auslegung des Maßstabs orientiert sich dabei zunächst an denjenigen Mengen, welche für die Beschichtungsversuche benötigt werden (kleiner als 50 l). Dabei spielt das Dispergieren von Polymerpulver mit hoher Scherkraft eine wesentliche Rolle. Wichtige Kenngrößen zur Übertragung vom kleinen in den großen Maßstab stellen die Temperatur, Verweilzeit, eingebrachte Scherkraft dar. Die Suspension soll aufkonzentriert für weitere Untersuchungen durch die Partner zur Verfügung gestellt werden. Im Projekt sollen die Ergebnisse der Entwicklung zur Herstellung einer Dispersionslösung nicht nur eine Maßstabsvergrößerung erfahren sondern für Anwendungstests zur Verfügung gestellt werden. Die Untersuchung der Bioabbaubarkeit des Verbundmaterials als grundlegende Analyse der Recyclingfähigkeit des Verpackungsmaterials ist ein wesentlicher Bestandteil, um im Projekt die Nachhaltigkeit der entwickelten Materialien nachzuweisen. Ziel ist die biologische Abbaubarkeit wissenschaftlich nachvollziehbar im Labor über die Projektdauer darzustellen und die Möglichkeit einer entsprechenden Zertifizierung für den späteren Herstellungsprozess und die Produkte vorzubereiten.

WaBaFli - Wasserbasierte hochkapazitive Li-Ionen-Batterieelektroden für elektrisches Fliegen

Das Projekt "WaBaFli - Wasserbasierte hochkapazitive Li-Ionen-Batterieelektroden für elektrisches Fliegen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist es, leichte, sichere, kostengünstige und nachhaltige Lithium-Ionenzellen mit hoher spezifischer Energie zu entwickeln und den erforderlichen Hintergrund entlang der Wertschöpfungskette bis hin zur industriellen Fertigung zu erforschen. Sowohl für die Anode als auch für die Kathode werden Aktivmaterialien aus redundanten Rohstoffen mit hoher spezifischer Energie und Sicherheit statt mit dem schädlichen Lösungsmittel NMP wasserbasiert verarbeitet. Bedenkliche bzw. teure Materialien im üblichen Herstellungsprozess werden substituiert: In der Kathode wird ein kobalt- und nickelfreies Kathodenmaterial (LMFP) eingesetzt, das im Projekt angepasst entwickelt wird. Auf der Anodenseite wird Graphit mit hochkapazitivem, redundantem SiOx (x kleiner als 2) kompoundiert. Ein Prozess für die wasserbasierte Herstellung sehr dicker, zu Rundzellen wickelbarer Elektroden aus diesen Materialien wird erarbeitet. Dabei wird auch die Extrusion als innovative, hocheffiziente Möglichkeit der kontinuierlichen Prozessierung bis hin zum Maschinenkonzept erforscht. Der Projekterfolg wird an Prototyp-Zellen in Form von gestapelten Pouchzellen, gewickelten Knopfzellen und 21700-Zellen evaluiert. Im Teilprojekt des ZSW werden Herausforderungen, die mit der Herstellung sehr hochkapazitiver Elektroden und insbesondere der wasserbasierten Herstellung einhergehen, untersucht. Ergänzend zur Erarbeitung geeigneter Rezepturen wird ein industrietauglicher Herstellungsprozess erforscht, der die Schritte Dispergieren, Beschichten, Trocknen und Kalandrieren umfasst. Neben dem diskontinuierlichen Mischen wird die Extrusion als kontinuierlicher Prozess erforscht. Ein grundlegendes Verständnis des Zellenkonzepts, das auch den hohen irreversiblen Kapazitätsverlust des Anodenmaterials (C/SiOx) und dessen große Volumenarbeit berücksichtigt, wird erarbeitet. Wasserbasierte dicke Elektroden werden im Pilotmaßstab im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt und zu Prototyp-Zellen als Demonstrator verbaut.

Teilvorhaben: Etablierung und Validierung innovativer Fertigungsprozesse und Messmethoden für LIB

Das Projekt "Teilvorhaben: Etablierung und Validierung innovativer Fertigungsprozesse und Messmethoden für LIB" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Institut für Partikeltechnik durchgeführt. Der Gegenstand des Gesamtvorhabens ist die Entwicklung von nachhaltigen, sicheren, schnell aufladbaren Lithium-Ionen-Batterien (LIB) der nächsten Generation mit langer Lebensdauer in der Elektromobilitätsanwendung. Die 3 übergeordneten Ziele (1) Reduktion der Ladezeit zu weniger als 10 Minuten auf 95% SOC, (2) Materialoptimierungen im Batteriedesign und (3) Energie- und Kosteneinsparungen in der Produktion werden adressiert. Das Teilvorhaben verfolgt dabei ebenso das Gesamtziel der Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der Produktion von Batteriezellen. Dies wird durch Verringern des Lösungsmittelanteils während der Dispergierung, die Etablierung effizienter Trocknungstechnologien und die Digitalisierung der untersuchten Prozesse erreicht. Darüber hinaus wird die Ermittlung der materialspezifisch notwendigen Konditionierung der Prozessatmosphäre zur Reduzierung des Energie- und Kosteneinsatzes untersucht sowie die Entwicklung einer Schnellladediagnostik im BMS zur Ermöglichung eines alterungsoptimierten Schnellladebetriebs durchgeführt.

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