2024-07-162024-07-16https://hdl.handle.net/11420/48387Um die Treibhausgasemissionen bis 2050 vollständig zu reduzieren, müssen in der chemischen Industrie bedeutende Transformationen erfolgen. Neben dem Wandel zu erneuerbaren Ressourcen und Energiesystemen müssen insbesondere energieintensive Grundoperationen optimiert werden. Hierbei sind thermische Trennverfahren wie Absorption und Destillation von entscheidender Bedeutung, da diese nicht nur signifikant zum Energiebedarf der chemischen Industrie beitragen, sondern im Rahmen der CO2-Abscheidung auch für die CO2-Nutzung eine wichtige Rolle spielen. Neben der Prozessintensivierung und Maßnahmen zur Energieintegration auf Prozessebene sind Leistungsverbesserungen der Apparate von größter Bedeutung. Strukturierte Packungen gehören dabei zu den wichtigsten Einbauten, die zu einer Verbesserung des Stoffaustauschs und der hydraulischen Leistung von Absorptions- und Destillationskolonnen beitragen können. Während die Auslegung strukturierter Packungen seit fast sechs Jahrzehnten aktiv erforscht wird, erlaubt die additive Fertigung unkonventionelle und topologisch komplexer Packungsstrukturen und stellt ein effizientes Verfahren für die Prototypentwicklung dar. Jedoch sind die bisherigen Auswirkungen auf das Design strukturierter Packungen begrenzt, da die resultierende größere Designfreiheit auch eine erhebliche Herausforderung darstellt. Diese Herausforderung kann durch mathematische Optimierungsmethoden effektiv angegangen werden, indem adäquate Problemformulierungen und Modelle zur Verfügung stehen, mit denen die Leistung der gedruckten Packung in einer realen Anwendung effizient berechnet werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen, verfolgt das aktuelle Projekt die Entwicklung einer optimierungsbasierten Entwurfsmethodik, welche den bi-funktionalen Einsatz von computergestützten Designmodellen für CFD-Simulationen und additive Fertigung nutzt. Letzteres ermöglicht die schnelle Fertigung von Prototypen von Polymerpackungen, die nicht nur in Hydraulik und Absorptionsexperimenten untersucht werden sollen um integrale Leistungsdaten zu erfassen, sondern auch einen grundlegenderen Einblick in die Flüssigkeitsströmung mit Hilfe eines innovativen und weltweit einzigartigen vertikalen Magnetresonanztomographen (MRT) ermöglichen. Die MRT-Experimente werden die lokale Verteilung der Flüssigkeit und des Gases in den 3D-gedruckten strukturierten Packungen zusammen mit den lokalen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten in allen drei Raumrichtungen aufzeigen. Die aus den MRT Experimenten gewonnenen Daten ermöglichen eine gezielte Verbesserung der Simulationsmodelle und damit eine CFD-basierte Optimierung eines individuellen Packungsdesigns, für das verschiedene Modellformulierungen untersucht werden. Dabei werden Form-, Topologie- und parametrische Optimierungsansätze evaluiert werden, um innovative Packungsstrukturen mit signifikanten Leistungsverbesserungen effektiv modellbasiert zu entwickeln und mittels 3D Druck experimentell zu validieren.In order to achieve the ambitious target of carbon neutrality by 2050, the chemical industry has to pursue major transformations. In addition to a gradual shift to renewable resources and energy systems, especially energy-intensive operations have to be optimized. In this context, thermal separation processes such as absorption and distillation are of crucial importance, as they not only contribute significantly to the energy demand of the chemical industry but are also of particular importance for CO2 utilization in the context of CO2 capture. Besides process intensification and energy integration measures on the process systems level, performance improvements of the individual unit operations are of utmost importance. Structured packings have become the most important internals for mass transfer and hydraulic performance improvements in absorption and distillation columns. While the design of structured packings has been actively researched for nearly six decades, additive manufacturing allows for novel, unconventional, and topologically complex packing structures and provides an efficient method for rapid prototyping. However, so far it has not had a considerable impact on the design of structured packings, since the resulting increased freedom in the design also poses a considerable challenge. This challenge may effectively be addressed by mathematical optimization methods, given that adequate problem formulations and performance models are available to efficiently compute the performance of the printed packing in a real application. In order to achieve this goal, the current project pursues the development of a systematic design approach based on mathematical optimization, that exploits the bi-functional use of computer-aided design (CAD) models for computational fluid dynamics (CFD) simulations and additive manufacturing. The latter allows for rapid prototyping of polymeric packings which will not only be investigated in hydraulic and absorption experiments, providing integral performance data but also enabling more fundamental insight into the fluid flow by means of an innovative and worldwide unique large-bore vertical Magnetic Resonance Imaging (MRI) system. The experiments will reveal the local distribution of the fluid and gas in the 3D-printed structured packings together with the local fluid velocities in all three spatial directions. The data obtained from the MRI experiments will enable a targeted improvement of the simulation models, which are providing the basis for a CFD-based optimization of individual packing designs, exploring different model formulations. Shape, topology, and parametric optimization approaches will be investigated to effectively develop innovative packing structures with significant performance improvements based on the optimization of the CAD models and validate the performance of the resulting packings experimentally using 3D printing.