From Model-based Experimental Design and Analysis of Diffusion and Liquid-Liquid Equilibria to Process Applications

Diffusion und Flüssig-flüssig-Gleichgewichte (LLE) sind von entscheidender Bedeutung für das Design verfahrenstechnischer Prozesse wie z.B. der Extraktion. Leider sind bestehende prädiktive Modelle für Diffusionskoeffizienten und LLE häufig nicht hinreichend genau und die Entwicklung neuer prädiktiver Modelle wird durch unverstandene komplexe molekulare Wechselwirkungen und einen Mangel an experimentellen Daten erschwert. Grund für den Mangel an experimentellen Daten ist der hohe Aufwand zur Durchführung von Experimenten. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung verbesserter Vorhersagemethoden für Diffusionskoeffizienten und die Entwicklung verbesserter Diffusions- und LLE-Messverfahren. Dazu wird ein modellgestütztes Analyseverfahren mit Computerexperimenten und der Entwicklung neuer Messverfahren kombiniert. Die Arbeit ist in enger Zusammenarbeit der TU Delft, der FAU Erlangen-Nürnberg, und der RWTH Aachen University entstanden. Die Integration des modellgestützten Analyseverfahrens in die Entwicklung der neuen Messverfahren erlaubt eine genaue Analyse der Qualität der experimentellen Ergebnisse. Dadurch werden notwendige Verbesserungen in Modell und Experiment in einem iterativen Verfahren identifiziert und umgesetzt. Das Ergebnis dieses Vorgehens sind neue Diffusionsmessverfahren für Gase und Flüssigkeiten, die eine erhebliche Reduktion des experimentellen Aufwands erlauben. Zur weiteren Reduktion des experimentellen Aufwands werden in dieser Arbeit optimale Versuchspläne für Diffusions- und LLE-Messungen identifiziert. Optimale Versuchspläne ermöglichen eine Reduktion der Anzahl an Experimenten, ohne an Genauigkeit in den Ergebnissen zu verlieren. Wir identifizieren in dieser Arbeit sowohl optimale Versuchspläne für separate Diffusions- und LLE-Experimente als auch optimale Kombinationen von Diffusions- und LLE-Experimenten zur wirtschaftlichen Auslegung von Extraktionsprozessen.