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The integration of a three-way catalyst and a gasoline particulate filter into a coated gasoline particulate filter (cGPF) is a key element for upcoming emission concepts of gasoline engines. This work establishes a simulation model for cGPFs to evaluate pressure drop, filtration and catalytic conversion under highly transient real-driving conditions. The model predictively captures the impact of substrate and washcoat properties on the filter’s performance, which is confirmed by accompanying measurements. Die Integration eines Drei-Wege-Katalysators in einem Ottopartikelfilter, ein sogenannter beschichteter Ottopartikelfilter (bOPF), ist ein wichtiges Element in zukünftigen Konzepten für die Abgasnachbehandlung von Ottomotoren. In dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell zur prädiktiven Bewertung von Gegendruck, Filtration und chemischer Konvertierung in bOPFs unter transienten realistischen Fahrbedingungen entwickelt. Das Modell bildet den aus begleitenden Messungen ermittelten Einfluss von Beschichtungs- und Substrateigenschaften auf das Verhalten des Filters ab.

Experimental and simulative methods are applied in filtration processes to clarify the effects of packed beds on separation efficiency. Packings accelerate the filtration under certain conditions. Additional wall support increases cake resistance against compressive stress. Moreover, a porosity-enhancing effect is identified as the support is incremented. The results allow to understand the occurring phenomenological interplays and provide a base to develop industrial applications in the future. Experimentelle und simulative Methoden werden in Filtrationsprozessen angewandt, um die Auswirkungen von Füllkörpern auf die Trennleistung zu klären. Füllkörper beschleunigen die Filtration unter bestimmten Bedingungen. Zusätzliche Wandunterstützung erhöht den Kuchenwiderstand gegen Druckspannungen. Ein porositätssteigernder Effekt wird bei zunehmender Unterstützung festgestellt. Die Ergebnisse bieten eine Grundlage für die Entwicklung zukünftiger industrieller Anwendungen.

Fixed-bed reactors are vital to the chemical industry and computer based analysis is becoming ever more important. The influence of material properties on numerically generated random beds is investigated and the feasibility of simulating pellet shrinkage within a bed is demonstrated. Flow hydrodynamics and conversion of a heterogeneously catalysed gas-phase reaction within single pellet string reactors, a special type of fixed-bed reactor, are characterised, leading to novel design criteria. Festbettreaktoren sind das Zugpferd der chemischen Industrie und computergestützte Analysen selbiger gewinnen an Bedeutung. Der Einfluss von Materialeigenschaften auf numerisch erzeugte Zufallsschüttungen und die Machbarkeit der Betrachtung von Pelletschrumpfung in Betten werden gezeigt. Hydrodynamik und Umsatzverhalten heterogen katalysierter Gasphasenreaktionen in Perlenschnurreaktoren, einem speziellen Typ Festbettreaktor, werden charakterisiert und neuartige Auslegungskriterien abgeleitet.

Membrane fouling by biopolymers is a central problem in membrane separation, since it often unpredictably affects permeation and retention. Aiming at a better understanding of fouling and its mitigation, milk protein fractionation by microfiltration was investigated under variation of processing conditions using hollow fiber membranes as an example. Therefrom, conclusions could be drawn with regard to a better design of membrane modules and membrane-based processes in general. Deckschichtbildung (Fouling) durch Biopolymere ist in der Membrantrenntechnik ein zentrales Problem, das Permeation bzw. Retention meist unvorhersehbar beeinflusst. Mit dem Ziel, das Fouling besser zu verstehen und zu minimieren, wurde die Milchproteinfraktionierung mittels Mikrofiltration unter Variation der Prozessbedingungen am Beispiel von Hohlfasermembranen untersucht. Daraus wurden generische Schlussfolgerungen für die Gestaltung von Membranmodulen und -verfahren im Allgemeinen abgeleitet.

In dieser Arbeit wird ein großer, kryogener Prüfstand zur Untersuchung des dynamischen Betriebs von Plattenwärmeübertragern beschrieben. Am Prüfstand können mittels Glasfasern dreidimensionale Temperatur- und Dehnungsdaten aufgezeichnet werden. Mit den gewonnenen Daten können Modelle zur rechnerbasierten Lebensdauervorhersage von Plattenwärmeübertragern validiert werden. Zusätzlich werden Maßnahmen abgeleitet, mit denen die Resilienz von Plattenwärmeübertrager gegenüber thermischer Wechselbelastung erhöht werden kann. In this work, a large cryogenic test rig for the investigation of the dynamic operation of aluminum plate-fin heat exchangers is described. By using optical fibers, three-dimensional temperature and strain data are recorded. The data are used to validate computational lifetime estimations tools for plate-fin heat exchangers. Additionally, measures to increase the resilience of heat exchangers to thermal stress are derived.

Pure substance condensation on horizontal low finned tubes was investigated with computational fluid dynamics. Highly resolved simulations were carried out using a rigorous simulation approach and the Volume-of-Fluid method. The simulations show excellent agreement with measurements found in literature and enable detailed investigations of condensation on horizontal tubes. Die Kondensation von Reinstoffen an niedrig berippten horizontalen Rohren wurde mittels numerischer Strömungsmechanik untersucht. Hierbei wurden hochaufgelöste Simulationen mit einem rigorosen Simulationsansatz unter Verwendung der Volume-of-Fluid-Methode durchgeführt. Die Simulationen zeigen sehr gute Übereinstimmungen mit Messergebnissen aus der Literatur und ermöglichen eine detaillierte Untersuchungen des Kondensationsvorgangs an horizontalen Rohren.

Durch Kopplung einer transienten Zweiphasensimulation in einer strukturierten Packung mit einem Modell zur Simulation des Stoffübergangs wird die numerische Simulation des Rektifikations- und Absorptions-/Desorptionsprozesses ermöglicht. Die Zweiphasenströmung wird hierbei mit Hilfe der Volume-of-Fluid (VoF)-Methode abgebildet. Um die Simulation eines lokal aufgelösten Stoffübergangs zu ermöglichen, wird das Generalised Continuous Species Transfer (GCST)-Modell entwickelt. The numerical simulation of the distillation and absorption/desorption process is made possible by coupling a transient two-phase simulation in a structured packing with a model for the simulation of the species transfer. The two-phase flow is modelled by the Volume-of-Fluid (VoF) method. To enable the simulation of a locally resolved species transfer, the Generalised Continuous Species Transfer (GCST) model is developed.

Es wird ein Modell erstellt, welches die Thermofluiddynamik in kryogenen Plattenwärmeübertragern beschreibt. Die Geometrie der Apparate wird dreidimensional aufgelöst, wodurch der Einfluss der Strömungsführung und unterschiedlicher thermischer Trägheiten der einzelnen Bauteile untersucht werden kann. Hierfür werden sowohl transiente als auch stationäre Ergebnisse diskutiert. Durch eine vollständige Automatisierung kann das Modell in Optimierungsaufgaben eingesetzt werden. Als Beispiel hierfür wird die automatisierte Auslegung eines Wärmeübertragers gezeigt. A simulation model is derived which describes the thermo-fluid dynamics of cryogenic plate-fin heat exchangers. The geometry is resolved in three dimensions. Hence, the influence of the flow pattern and of the varying thermal inertia of individual components of the apparatus can be studied. Therefore, transient and steady-state simulation results are discussed. Because the model is fully automated, it can be used as part of an optimization framework. The automated design of a heat exchanger is shown as an examplary use case.

The kinetics of both olefin cracking and methanol-to-olefins (MTO) over acid zeolites are modeled as these are alternative pathways to produce lower olefins on demand. The aim is to develop a microkinetic model for both processes, making use of the single-event methodology. The resulting cracking model is applied in reactor design and process optimization studies. Further insight into extrapolation possibilities and adsorption is finally used for an extension to MTO. Sowohl Olefin-Cracking als auch Methanol-zu-Olefinen (MTO) stellen alternative Routen zu niederen Olefinen dar, weshalb eine Modellierung der Kinetik auf sauren Zeolithen erfolgt. Für beide Prozesse sollen rein mikrokinetische Modelle basierend auf der Single-Event-Methodik erstellt werden. Das resultierende Cracking-Modell wird für Studien zum Reaktordesign und zur Prozessoptimierung verwendet. Weitere Einblicke in Extrapolationsmöglichkeiten und Adsorption führen letztendlich zum MTO-Modell.

Polymer electrolyte membrane fuel cells with renewable hydrogen as fuel can contribute to a sustainable energy economy. To enhance the power output, the oxygen and water transport in the microporous layer is investigated and improved by material modifications. The variation of the carbon materials, a comparison of a hydrophilic and a hydrophobic binder, and the introduction of perforations could reduce the voltage losses significantly. Mit erneuerbarem Wasserstoff betriebene Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen können einen Beitrag für eine nachhaltigere Energiewirtschaft leisten. Um die Leistungsabgabe zu erhöhen, wurde der Sauerstoff- und Wassertransport in der mikroporösen Schicht durch Material-Modifikationen verbessert. Durch Variation des Kohlenstoffmaterials, einen Vergleich von hydrophilem und hydrophobem Binder und durch die Verwendung von Perforationen konnten Spannungsverluste signifikant reduziert werden.

Mittels indirekt temperierter Adsorber ist eine Bulkphasentrennung durch Temperaturwechseladsorption wirtschaftlich möglich. Ein quasi-kontinuierlicher 3-Adsorberprozess zur Entfernung von CO2 aus einem N2/CO2-Gemisch wird entwickelt und in einer Pilotanlage getestet. Durch Versuchsreihen und Simulationen wird der Prozess hinsichtlich CO2-Feedkapazität und N2-Ausbeute optimiert. Die experimentellen Ergebnisse werden zur Validierung und Anpassung eines Simulationsmodells verwendet. With indirectly heated and cooled adsorbers, bulk separation by temperature swing adsorption becomes economically feasible. A three adsorber quasi-continuous process to remove CO2 from an N2/CO2 mixture is established in a pilot plant. Experimental tests are performed to optimize the CO2 capacity and the N2 recovery. The experimentally determined data are used to validate a 2D simulation model. The validated model is applied to analyze additional process parameters.

Oxidative dehydrogenation of ethane is a promising route for a selective production of ethene. An integral model development combines multi-scale approaches. Intraparticle diffusion studies reveal the necessity of accurate coupling between species transport and reaction. Dispersion effects in fixed-bed reactors are reevaluated in detail. In addition, an intrinsic kinetic model over MoVTeNb mixed metal oxides highlights the interplay of surface and lattice oxygen species. Oxidative Dehydrierung von Ethan ist eine vielversprechende Technologie zur selektiven Ethenproduktion. Eine ganzheitliche Modellentwicklung kombiniert Multiskalenansätze. Studien zu Intrapartikeldiffusion verdeutlichen die Bedeutung korrekter Kopplung von Stofftransport und Reaktion. Dispersionseffekte in Festbettreaktoren werden detailliert neubewertet und ein intrinsisches kinetisches Modell über MoVTeNb Mischmetalloxiden verdeutlicht das Zusammenspiel von Oberflächen- und Gittersauerstoff.

Centrifugal partition chromatography uses the two liquid phases of a biphasic solvent system as stationary and mobile phases for a chromatographic separation. It is applied for the purification of natural compounds. The selection of biphasic systems for the separation of very hydrophilic or hydrophobic substances is challenging. This work focuses on alternative biphasic systems containing deep eutectic solvents that can be employed for the separation of hydrophobic substances, and ionic liquids, that are used with biomolecules, such as proteins. Zentrifugale Verteilungschromatographie nutzt ein zweiphasiges Lösungsmittelsystem als stationäre und mobile Phasen für eine chromatographische Trennung. Ein häufiges Einsatzgebiet ist die Aufreinigung von Naturstoffen. Lösungsmittelsysteme für die Trennung sehr hydrophiler oder hydrophober Substanzen zu finden, stellt eine Herausforderung dar. In dieser Arbeit wurden zweiphasige Systeme mit eutektischen Lösungsmitteln für die Trennung hydrophober Substanzen, und mit ionischen Flüssigkeiten für die Aufreinigung von Proteinen, untersucht.

Oxymethylene dimethyl ethers (OME) are attracting interest as potential diesel substitutes and “green” solvents. They are synthesized based on methanol, which can be source from fossil or renewable feedstocks. In this thesis a potentially scalable and feasible OME synthesis process is described based on the endothermic catalytic dehydrogenation of methanol. The process flow sheet was implemented via a hybrid simulation and showed to be superior to other literature described processes. Oxymethylendimethylether (OME) sind ein interessanter Dieselersatz und Lösungsmittel. Sie werden auf Basis von Methanol hergestellt, so dass ein auf fossilen oder erneuerbaren Energiequellen basierender Rohstoff verwendet werden kann. In dieser Arbeit wird ein potenziell skalierbarer und wirtschaftlich umsetzbarer OME-Syntheseprozess beschrieben, welcher durch Prozesssimulation in einer hybriden Simulationsplattform implementiert wurde und sich gegenüber anderen Prozessen als vorteilhaft erwies.

Schwerpunkt der Arbeit ist die Prozessoptimierung mithilfe mathematischer Methoden. Ein hybrider Ansatz koppelt den Prozesssimulator UniSim Design mit MATLAB als Optimierungsplattform. Als Anwendungsbeispiel wird die industrielle Methanolsynthese in drei Detaillierungsstufen betrachtet. Der jeweils optimale Prozess wird aus verfahrenstechnischer Sicht analysiert. Aus numerischer Sicht werden gradientenbasierte und ableitungsfreie Optimierungsprogramme basierend auf verschiedenen Startpunkten, Wiederholungen und Detaillierungsstufen evaluiert. Focus of this thesis is process optimization using mathematical methods. A hybrid approach combines the process simulator UniSim Design with MATLAB as optimization platform. The industrial methanol synthesis in three detail levels is used as example. In terms of process technology, the optimal process is analysed. From a numerical point of view, the gradient-based and derivative-free optimization programs are evaluated based on different starting points, repetitions and detail levels.

The process-intensifying potential of a rotor-stator spinning disc reactor (RSSDR) was investigated by means of studying the heat transfer via an experimental and a numerical approach, and carrying out epoxidation of methyl oleate, a very exothermic and mass transfer limited reaction. A significant intensification of the heat transfer and the epoxidation by the use of an RSSDR was observed revealing its potential as a suitable reactor technology for mass and heat transfer limited reactions. Das Prozessintensivierungspotenzial eines Rotor-Stator-Spinning-Disc-Reaktors (RSSDR) wurde anhand experimenteller und numerischer Charakterisierung des Wärmetransports und Durchführung der Epoxidierung von Methyloleat, einer stark exothermen und stofftransportlimitierten Reaktion, untersucht. Eine deutliche Intensivierung des Wärmetransports und der Epoxidierung wurde beobachtet und damit das Potenzial des RSSDRs als möglicher Reaktor für wärme- und stofftransportlimitierte Reaktionen gezeigt.

In this work, the deactivation behavior of Ni-Al catalysts for CO2 methanation is investigated. Standard methods and transient measurements, such as temperature programmed desorption, are applied for the characterization of the catalysts and their interaction with CO2 and H2. A complex interplay of deactivation mechanisms is revealed and structure-activity correlations are evaluated. A kinetic description of deactivation is presented. In dieser Arbeit wird Desaktivierungsverhalten von Ni-Al-Katalysatoren für die CO2-Methanisierung untersucht. Für die Charakterisierung der Katalysatoren sowie deren Wechselwirkung mit CO2 und H2 kommen neben Standardmethoden auch instationäre Methoden, wie etwa die Temperatur-programmierte Desorption, zum Einsatz. Ein komplexes Zusammenspiel von Desaktivierungsmechanismen wird beobachtet. Struktur-Aktivitäts-Beziehungen werden analysiert und die Desaktivierung wird kinetisch beschrieben.

Inhalt dieser Arbeit ist die thermodynamische Analyse einer Wasserstofftankstelle mit Kryopumpentechnologie. Hierzu wird ein dynamisches, objektorientiertes Computermodell der Wasserstofftankstelle entwickelt, das insbesondere die Temperaturen des Wasserstoffs und der mediumberührten Anlagenkomponenten im zeitlichen und räumlichen Verlauf berechnen kann. Das Modell wird mit Messdaten aus einer Versuchsanlage validiert und anschließend zur Analyse von verschiedenen Anlagenkonzepten, darunter ein neuartiges Mischkonzepts zur Wasserstoff-Temperierung, eingesetzt. This dissertation describes the thermodynamical analysis of a hydrogen fueling station with cryopump technology. A dynamic, object-oriented computer model of the hydrogen fueling station is developed. This model calculates, amongst other thermodynamical properties, the temporal and spatial variation of the hydrogen temperature and the hydrogen carrying equipment. The model is validated with data from measurements at a testing facility. Then the model is used for the analysis of several hydrogen fueling station designs, including a new method of regulating the hydrogen temperature by mixing two streams of different temperature levels.

Mittels einer Phasengleichgewichtsapparatur wird die Gaslöslichkeit von CO2 in verschiedenen physikalischen Waschmitteln untersucht. Hierbei werden in der Literatur vorhandene Lücken bei experimentellen Daten geschlossen. Die durch zwei verschiedene experimentelle Verfahren gewonnenen Messdaten werden mittels einer umfangreichen Messunsicherheitsbetrachtung qualitativ bewertet und dienen für weitergehende theoretische Untersuchungen. By the use of a phase equilibrium apparatus the gas solubilty of CO2 in different physical solvents was determined. Hereby existing gaps of experimental data in literature were closed. The gained data, which were determined from two different experimental methods, were validated qualitatively using a comprehensive uncertainty evaluation and were the basis for further theoretical investigations.

Die Koeffizienten der Fokker-Planck-Gleichung wurden in Mischexperimenten ermittelt. Es wurde nach einem funktionellen Zusammenhang zwischen den Stoff- und Anlagenparametern zur Berechnung der Koeffizienten gesucht. Dafür wurden die Versuchsstoffe charakterisiert und die Mischkonzentration und Anlageneinstellungen variiert. Mit den Berechneten Koeffizienten ist eine Vorhersage der mittleren Produktverweilzeit im kontinuierlichen Mischer und ein effizienterer Einsatz in der Industrie ist möglich. The coefficients of the Fokker-Planck equation were determined in mixing experiments. A functional relationship between the substance and plant parameters was used to calculate the coefficients. For this, the test substances were characterized and the mixing concentration and plant settings were varied. With the calculated coefficients, a prediction of the average product residence time in the continuous mixer and a more efficient use in the industry is possible.

The liquefaction of hydrogen is a cost effective way to distribute hydrogen fuel. The aim of this work is the development of efficient and economically viable large-scale hydrogen liquefaction processes. The implemented process simulation and cost estimation models are used to optimize the capital and operating expenses. Two novel process concepts for large-scale hydrogen liquefaction are presented. Compared to state-of-the-art plants, the specific liquefaction costs are reduced by nearly 68% and the specific energy consumption by nearly 40%. Für die Verteilung von Wasserstoff als Treibstoff spielt Flüssig-Wasserstoff zunehmend eine wichtige Rolle. Das Ziel dieser Arbeit ist es kostenoptimierte Prozesse für die Wasserstoffverflüssigung im großen Maßstab zu entwickeln. Die Verflüssigungsprozesse werden mit den implementierten Prozesssimulations- und Kostenmodellen auf Investitions- und Betriebskosten optimiert. Zwei neuartige Verflüssigungsprozesse werden vorgestellt. Im Vergleich zu bisherigen Wasserstoffverflüssigern werden die spezifischen Verflüssigungskosten um bis zu circa 68% und der spezifische Energiebedarf um circa 40% reduziert.

Im ersten Teil der Arbeit wird mithilfe der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) und der Response Surface Methode die optimalen Bedingungen zur Synthese von Nickelkatalysatoren für die CO2-Methanisierung identifiziert. Durch das Dotieren dieser Katalysatoren durch trockenes Imprägnieren oder der Synthese mittels bi-metallischer CVD konnte eine deutliche Aktivitätssteigerung erzielt werden. Im zweiten Teil wird die bei der CO2-Methanisierung im Festbettreaktor auftretenden Wärmetransportprozesse mithilfe der Thermographie untersucht. Ein Hauptaugenmerk wird dabei auf die Abhängigkeit der Wärmeentwicklung von den Prozessparametern und dem Aufbau der Schüttung im Reaktor gelegt. The first part deals with the synthesis of nickel catalysts by means of the chemical vapor deposition (CVD) applied in CO2 methanation. The best synthesis parameters were identified by using response surface methodology. An increase in activity could be achieved by doping these catalyst by dry impregnation or a bimetallic CVD. The second part deals with the investigation of the heat transport phenomena in a fixed bed during CO2 methanation by means of thermography. The focus was on the investigation of the dependency of heat evolution on process parameters and configuration of fixed-beds.

Die reaktionstechnische Untersuchung der direkten Dimethylether-Synthese aus Synthesegas an einem neuartigen Katalysatorgemisch ist Schwerpunkt dieser Arbeit. Der Einfluss von entscheidenden Prozessparametern sowohl auf die Methanol-Synthese als auch auf die direkte Dimethylether-Synthese wird experimentell herausgearbeitet. Auf Basis von Labor-Ergebnissen wird ein vereinfachtes global-kinetisches Modell entwickelt, das in ein Festbettmodell implementiert und mit weiteren experimentellen Ergebnissen abgeglichen wird. The reaction technology study of the direct dimethyl ether synthesis from synthesis gas over a new catalyst mixture is the key aspect of this work. The influence of key process parameters on the direct DME synthesis and the methanol synthesis is investigated experimentally. Based on laboratory experiments a simplified global kinetic model is developed and implemented for verification with further experiments.

Es wird ein Simulationsmodell erstellt, das das instationäre Verhalten von offenen Algenponds abbildet. Das Modell kann den Ertrag von Algenponds an verschiedenen Orten und für verschiedene Betriebsperioden sowohl für den kontinuierlichen als auch den batchweisen Betrieb berechnen. Der Kanal eines Algenponds wird entlang der Strömungsrichtung diskretisiert um die ungleichmäßige Verteilung von CO2 zu berücksichtigen. Mit Hilfe des Models wird das Betriebsverhalten und insbesondere die CO2 Zufuhr von sehr großen offenen Algenponds untersucht. Diese können mit einem relativ einfachen Aufbau mit ausreichend CO2 versorgt werden. A simulation model is created to simulate the dynamic behavior of open algae ponds operated continuously or in batch mode. The simulation model can calculate the yield of algae ponds for different locations and operating periods. The channel of the pond is discretized along the flow direction to consider the effects of an unbalanced distribution of CO2. The model is used to evaluate the operating behavior and the CO2 supply of very large open algae ponds. These can be supplied with enough CO2 by a simple setup of the CO2 gas supply.

The role of the metal support interface for dry reforming of methane has been studied over supported Ni catalysts. The unique properties of zirconia lead to an efficient stabilization of small nanoparticles with enhanced metal support interface during catalysis and regeneration. Detailed examination of regeneration protocols with different gasifying agents revealed a kinetically controlled mechanism of coke removal and oxidation of the active metal and finally ensured stable operation of Ni based catalysts for methane dry reforming. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Wechselwirkungen zwischen Metall und Träger an geträgerten Ni Katalysatoren untersucht. Dabei ermöglichten die besonderen Eigenschaften von ZrO2 eine effiziente Stabilisierung kleiner Nanopartikel mit erhöhter Grenzfläche zwischen Ni und ZrO2. Die Untersuchung unterschiedlicher Oxidationsmedien führte zur Entwicklung einer kinetisch kontrollierten Regenerierung von deaktivierten Katalysatoren und ermöglicht somit das Aufrechterhalten einer stabilen Aktivität von Ni/ZrO2 für das trockene Reformieren von Methan.

Mass production of microalgae needs efficient open photobioreactor systems. Computational fluid dynamics (CFD) was applied for the simulation of the liquid flows in a thin-layer cascade photobioreactor. The virtual reactor representation was validated using a photobioreactor on a semi-technical scale (8 m²). Exploiting an extensive range of CFD-simulations, reactor components could be optimised and guidelines were provided for design and operation of thin-layer cascade photobioreactors. Zur Massenproduktion von Mikroalgen sind effiziente offene Photobioreaktoren erforderlich. Die numerische Strömungsmechanik (CFD) wurde zur Simulation der Flüssigkeitsströmungen in Flachgerinne-Photobioreaktoren genutzt. Die Reaktormodelle konnten mit Hilfe eines Photobioreaktors im halbtechnischen Maßstab (8 m²) validiert werden. Unter Ausnutzung umfangreicher CFD-Simulationen wurden Reaktorkomponenten optimiert und Richtlinien für Konstruktion und Betrieb dieser Photobioreaktoren abgeleitet.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Beschichtung von medizinischem Edelstahl durch einen Atmospheric Pressure Plasma Jet (APPJ) zur Optimierung der Oberflächeneigenschaften von orthopädischen Implantaten. Es wurden vier unterschiedliche Beschichtungen abgeschieden, welche die antibakteriellen sowie die Barriere- und Haftvermittlereigenschaften und die Osseointegration verbessern sollen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Beschichtungen die Anforderungen erfüllen und manche sie sogar übertreffen. Zusammengefasst zeigt diese Arbeit, dass der APPJ eine vielversprechende Methode ist, um medizinische Implantate mit variablen Eigenschaften für den Einsatz in der Orhtopädie zu generieren. In the thesis presented, medical stainless steel was coated with an Atmospheric Pressure Plama Jet (APPJ) to optimize the surface properties for orthopedic implants. Four different coatings were produced to improve the antibacterial, barrier and adhesion properties as well as the osseointegration. The results showed that all the coatings complied with and some even exceeded the expectations by showing the desired properties and even more. All in all, this work shows that APPJ offers a promising way to coat medical surfaces with variable properties for the use on orthopedic implants.

Für die Methanisierung von CO2 wurden verschiedene Katalysatoren auf Basis von Nickel und Aluminium untersucht. Eine Steigerung der Katalysatoraktivität und -stabilität konnte durch die Promotierung mit Übergangsmetallen erreicht werden. Neben der Katalysatorsynthese und -charakterisierung mit Standardmethoden erfolgte die Untersuchung der Reaktionskinetik an einem NiAl-Katalysator. Aus den Messdaten konnte erfolgreich ein kinetisches Modell zur Beschreibung des industriell relevanten Betriebs abgeleitet werden. For the CO2 methanation different nickel alumina catalyst systems were investigated. The specific catalyst activity and stability were increased by promoting with transition metals. Catalyst synthesis and characterization with standard methods were applied to derive structure activity relationships. The CO2 methanation kinetics was studied in detail on a NiAl catalyst. A kinetic model describing the methanation under industrial relevant reaction conditions was derived successfully.

This thesis focuses on the microkinetics of methanol synthesis over ternary Cu/ZnO/Al2O3 catalysts including catalyst morphology changes, especially due to changes in the Cu/ZnO interface. This further includes a closer analysis of adsorbate-substrate and adsorbate-adsorbate interactions. A surface-science based microkinetic model and two global kinetic models are used to describe the kinetics of methanol synthesis. The microkinetic model gives an approximation of structure sensitivity and gas-phase induced dynamic changes of the catalyst. Irreversible morphology changes are further incorporated into the microkinetic model to enhance the model experiment conformability during catalyst deactivation. Modeling elementary step kinetics close to working conditions gives an estimation for the extent of catalyst restructuring, which was up to now only quantified for model catalysts. In dieser Arbeit wird die Mikrokinetik der Methanolsynthese an ternären Cu/ZnO/Al2O3 Katalysatoren unter Einbindung struktureller Änderungen der Cu/ZnO-Grenzfläche behandelt. Dies schließt eine genauere Betrachtung der Wechselwirkung von Intermediaten mit dem Substrat und der Intermediate untereinander mit ein. Ein auf dem Surface-Science-Ansatz basierendes mikrokinetisches Modell und zwei Globalkinetikmodelle werden zur Beschreibung der Kinetik verwendet. Das mikrokinetische Modell kann hierbei eine Abschätzung zur Struktursensitivität und gasphaseninduzierten dynamischen Restrukturierung des Katalysators geben. Eine Implementierung irreversibler Morphologieänderungen verbessert zudem die Übereinstimmung von Modell und Experiment während der Desaktivierung des Katalysators. Die Modellierung einzelner Elementarschritte ermöglicht eine Abschätzung für das Ausmaß an Strukturänderungen, was bisher nur für Modellkatalysatoren möglich war.

Polymerbasierte Nanokompartimente können als artifizielle Reaktionsräume für nebenproduktfreie, biokatalytische Umsetzungen genutzt werden. In miniaturisierten Rührkesselreaktoren wurde ein einstufiges Verfahren zur Herstellung von Polymervesikeln mit schmaler Partikelgrößenverteilung entwickelt. Dieser Prozess konnte anhand der dimensionslosen Froudezahl in den Liter-Maßstab übertragen werden. Innerhalb von nur 1,5 h konnten Polymervesikel mit niedriger Polydispersität hergestellt werden. Polymeric nano-compartments can be used as artificial reaction chambers for biotransformations showing no side-reactions. To produce polymer vesicles with narrow size distribution a one-step process was developed in miniaturized stirred-tank reactors. This process was successfully scaled-up to the liter-scale by the use of the dimensionless Froude number and vesicles with low polydispersity were achieved within 1.5 h only.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kondensation von binären Gemischen an horizontalen Glatt- und Rippenrohren bei freier Konvektion untersucht. Der äußere Wärmeübergangskoeffizient wurde sowohl für eng- als auch für weitsiedende Gemische gemessen. Die Gemische zeigen ein sehr unterschiedliches Kondensationsverhalten. Ein Vergleich der Werte mit dem Filmmodell zeigt, dass die Messdaten damit nur bedingt wiedergegeben werden können. Ein neu entwickeltes Modell basierend auf dimensionslosen Kennzahlen kann die Messwerte sehr gut beschreiben. In this work the condensation of binary mixtures on horizontal smooth and low-finned tubes was examined. The outer heat transfer coefficient was measured for close- and wide-boiling mixtures. The condensation behavior of these mixtures differs significantly. The comparison of the experimental results with the film model shows a poor fit of model and results. A newly developed model consisting of dimensionless numbers can predict the measured values very well.

Bei der Kondensation von Reinstoffen wird der äußere Wärmeübergangskoeffizient experimentell an horizontalen Glattrohren und Rippenrohren bestimmt. Der am Rippenrohr gemessene äußere Wärmeübergangskoeffizient ist um den Faktor 3 bis 8 höher als am Glattrohr. Da die aus der veröffentlichten Literatur bekannten theoretischen Modelle keine zuverlässige Vorhersage des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten am Rippenrohr zulassen, wird ein eigener Ansatz entwickelt. Damit kann der äußere Wärmeübergangskoeffizient mit einer Genauigkeit von maximal ±20% vorhergesagt werden. During condensation of pure components the outer heat transfer coefficient is experimentally determined on horizontal smooth and low-finned tubes. The outer heat transfer coefficient on a low-finned tube is about 3 to 8 times higher than on a smooth tube. Theoretical models from literature cannot be used in general for the prediction of the outer heat transfer coefficient on a low-finned tube, so a new approach is developed. With this theoretical approach the outer heat transfer coefficient can be predicted within a maximum accuracy of ±20%.

In dieser Arbeit wird der Einfluss der Zugabe einer organischen Strippkomponente, die mit Wasser eine Mischungslücke bildet, im Desorber eines CO2 Post-Combustion-Capture Prozesses untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein Modell für ein dreiphasiges Phasengleichgewicht entwickelt. Zudem wurde ein Kohlekraftwerk modelliert, um das Verhalten eines Kraftwerks inklusive der Abtrennung von CO2 im Post-Combustion-Capture Verfahren zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Leistungseinbußen für das Kraftwerk mit CO2-Abtrennung für die konventionelle zweiphasige Abtrennung geringer sind. In this thesis the influence of adding an organic stripping component which is immiscible with water to the desorber of a CO2 Post-Combustion-Capture process is examined. For that purpose a model for a three-phase equilibrium was developed. Moreover, a power plant model was set up in order to investigate the overall performance of a coal fired power plant with Post-Combustion-Capture of CO2. The results however show that the overall penalty for power plant including CO2-removal is lower for the conventional two-phase regeneration.

Anhand der Modellierung eines abstrahierten physikalischen Absorptionsprozesses wird eine Methodik zur Charakterisierung und Suche von Waschmitteln sowie Additiven entwickelt. Im experimentellen Teil wird eine Phasengleichgewichtsapparatur zur Vermessung von Gas-Flüssig-Flüssig-Gleichgewichten für Stoffsysteme aus dem Bereich der physikalischen Absorption konzipiert, aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Ihre Funktionalität kann anhand eines aus der Literatur bekannten Stoffsystems belegt werden. A method for the characterization of solvents and additives is created by the modeling of an abstracted physical absorption process. In the experimental part an equilibrium apparatus for the measurement of the gas-liquid-liquid-equilibrium of systems in the context of physical and chemical absorption processes is designed, constructed and successfully put into operation. Its functionality is shown by a system which is known from literature.

Mit COSMO-RS können thermophysikalische Stoffdaten für die Prozesssimulation und Prozesstechnik auf Basis der Molekülstruktur berechnet werden. In dieser Arbeit wird die Erweiterung COSMO-RS-DARE für die Berücksichtigung der Dimerisierung mit COSMO-RS evaluiert. Außerdem wird eine Gruppenbeitragsmethode für COSMO-RS zur Berechnung von physikalischen Gaslöslichkeiten entwickelt. Des Weiteren wird die Berechnung von Fickschen Diffusionskoeffizienten aus Randdiffusionskoeffizienten mit COSMO-RS untersucht. With COSMO-RS thermophysical properties for process simulation and process engineering can be calculated based on molecular structure. In this thesis, the extension COSMO-RS-DARE for consideration of dimerization with COSMO-RS is evaluated. Furthermore, a group contribution method for COSMO-RS for calculating physical gas solubilities is developed. In addition, calculation of Fick diffusivities with diffusivities at infinite dilution with COSMO-RS is investigated.

Hierarchically structured sorbents were synthesized and investigated for CO2 capture from flue gas streams of coal-fired power plants under high pressure and atmospheric conditions. The insertion of Zr cations in the structure of the sorbent increased the selectivity for the adsorption of CO2 in high pressure separation processes. The presence of H2O, after atmospheric combustion, does not impair the performance of the adsorbents, because the moderate decrease in uptake rates is compensated by an increase in uptake capacity. Für die Abtrennung von CO2 aus Abgasen von Kohlekraftwerken wurden hierarchisch strukturierte Adsorbentien synthetisiert und hinsichtlich ihrer Eignung für Adsorptionsprozesse von 1-40 bar geprüft. Die Abtrennleistung bezüglich CO2 bei Hochdruckprozessen konnte durch das Einbringen von Zr Kationen in die Sorbensstruktur verbessert werden. Der übliche Anteil von 10 vol.% H2O im Rauchgas von atmosphärischen Verbrennungsprozessen führte nicht zur Beeinträchtigung der Abtrennleistung von CO2. Die langsamere Aufnahmekinetik der CO2 Adsorption in Anwesenheit von H2O wurde durch eine erhöhte Aufnahmekapazität kompensiert.

Active phases in the vinyl acetate synthesis over PdAu catalysts are dynamically formed during reaction. During this process Pd is leached in form of Pd-acetate from the bimetallic particle, forming Pd1Au1. With increasing temperature Pd1Au1 phase segregates to Pd3Au1 and Pd1Au3, leading to a decrease in selectivity. Pd within the Pd1Au1 phase is 5 times more active than Pd in Pd-acetate. The progressing formation of Pd-acetate via leaching from the bimetallic particles constitutes the main reason for deactivation. Die aktiven Phasen von PdAu Katalysatoren für die Synthese von Vinylacetat bilden sich während der Reaktion aus. In diesem Prozess löst sich Pd in Form von Pd-acetat aus PdAu Teilchen, die sich dadurch in eine Pd1Au1 Phase umwandeln. Mit steigender Temperatur segregiert Pd1Au1 in Pd3Au1 und Pd1Au3, was zu einem Verlust an Selektivität führt. Pd in der Pd1Au1 Phase ist 5x aktiver als Pd in Pd-acetat. Dessen fortschreitende Bildung durch Herauslösen aus der Bimetall-Phase ist die Hauptursache der Deaktivierung des Katalysators.

Nanoporous solids, such as zeolites, are the key for many industrial processes, as for instance as molecular sieves, as shape selective catalysts, and as adsorbents. To understand and to improve their properties, a fundamental knowledge of mass transport processes is crucial. In the present thesis, by application of the frequency response technique in addition other techniques, a detailed understanding of the transport mechanisms present in porous systems was obtained. The intracrystalline diffusion in MFI type materials was depicted and related to its complex structure. Diffusion is isotropic in MFI for small molecules, whereas it can be anisotropic for bulkier molecules. Studies on surface effects have shown that the surface properties may strongly influence the intracrystalline transport and can be used to subsequently tailor their shape selectivity. It was found, that by modification of the external surface of MFI particles, the transport can be selectively enhanced or retarded. Nanoporöse Feststoffe, wie Zeolithe, sind wichtige Bausteine in vielen industriellen Prozessen, unter anderem als Molekularsiebe, als formselektive Katalysatoren oder als Adsorber. Dabei ist das Verständnis des Massentransports in solchen Materialien von entscheidender Bedeutung um diese Prozesse zu verstehen und zu verbessern. In der folgenden Arbeit, wurde daher mit Hilfe der Frequenzantwort-Methode in Kombination mit anderen Techniken, ein tiefes Verständnis der Transportmechanismen in solchen porösen Feststoffen erlangt. Der intrakristalline Transport in MFI Zeolithen wurde aufgeschlüsselt und mit seiner Porenstruktur verknüpft. Die Diffusion ist isotrop für kleine Moleküle, während sie für große anisotrop sein kann. Untersuchungen zu Oberflächeneffekten haben ergeben, dass diese einen erheblichen Einfluß auf den Massentransport haben können. Es wurde gezeit, dass durch Oberflächenmodifikation von MFI Partikel, der Transport selektiv beschleunigt oder verlangsamt werden kann.

The local-instantaneous transport equations for two-phase systems are derived based on the integral balance of mass, momentum and chemical species. After conditional volume-averaging, corresponding closure terms are modelled for both dispersed and segregated flow types. The delevoped multi-scale two-fluid model is capable of capturing under-resolved flow structures while being scale-consistent with established models (Direct Numerical Simulation and Eulerian-Eulerian Methods). The validation is accomplished for all conserved quantities based on an analytical, numerical exact or experimental reference base. Furthermore, a novel method is developed which is capable of capturing species transfer across fluid interfaces for interface-capturing approaches (segregated flow). For dispersed flows, models for the dynamics of bubbles in dense swarms are examined. Basierend auf den integralen Erhaltungsbilanzen für Masse, Impuls und chemische Spezies werden für zweiphasige Systeme lokal-instantane Transportgleichungen hergeleitet. Nach Konditionierung und Volumenmittelung werden zugehörige Schließungsterme sowohl für disperse als auch für segregierte Strömungstypen modelliert. Das entstandene mehrskalige Zwei-Fluid-Modell ist in der Lage, unteraufgelöste Strömungsstrukturen zu berücksichtigen, und schließt skalenkonsistent an etablierte Modelle (Direkte Numerische Simulation und Euler-Euler Methoden) an. Die Validierung erfolgt für alle drei Erhaltungsgrößen anhand analytischer, numerisch exakter oder experimenteller Referenz-Basis. Des Weiteren wird eine neue Methode zur Erfassung des Stofftransports über fluide Phasengrenzflächen für interface-capturing Ansätze (segregierte Strömung) entwickelt. Für disperse Strömungen werden zudem Modelle zur Erfassung der Blasendynamik in dichten Schwärmen untersucht.

Zur Zerlegung von Stoffgemischen werden in der Prozessindustrie in großer Zahl Stoffaustauschkolonnen eingesetzt. Ein großes Problem derartiger Kolonnen ist die Maldistribution. Darunter versteht man die ungleichmäßige Verteilung der Stoffströme über den Kolonnenquerschnitt. Die durchwegs negativen Auswirkungen der Maldistribution auf die Trennleistung sind unumstritten. Bislang werden zur Unterdrückung der Maldistribution Zwischenverteiler eingesetzt, welche jedoch mit zahlreichen Nachteilen verbunden sind. Als vielversprechende Alternative wird im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige Stoffaustauschpackung untersucht, welche über die Kolonnenhöhe verteilt mehrfach zusätzlich zur konventionellen Packung eingebaut wird. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Ermittlung der Leistungsdaten dieser neuartigen Packungselemente sowohl für den Einsatz in einem Gas/flüssig-System als auch in einem Flüssig/flüssig-System. Dazu werden unter gezielter Vorgabe verschiedener Arten der Flüssigkeits-Ungleichverteilung unterschiedliche Packungsstrukturen (Kombinationen aus neuartiger und konventioneller Packung) realisiert und hinsichtlich ihrer Stoffaustauschleistung bewertet. In the process industry separation columns are applied for fractionating mixtures. A serious problem of such columns is maldistribution. Maldistribution denotes all deviations from plug flow of gas and liquid. The detrimental effects of maldistribution on the separation performance are well known. In industrial practice, the problem of maldistribution is counteracted by dividing the packed bed into several sections of limited height with redistributors between these sections. A promising alternative to the redistributors is a novel double-effective packing element. Several pairs of such elements are directly installed into a conventional packed bed. The objective of the present work is the determination of the performance of the novel packing element in a gas/liquid-system as well as in a liquid/liquid-system. For this reason, promising packing structures (combinations of novel and conventional packings) are realised and evaluated for different types of maldistribution concerning the separation performance.