Methodik zur simultanen Lösungsmittelauswahl und Dimensionierung von Extraktionskolonnen

Kampwerth, Jan; Jupke, Andreas; Leonhard, Kai

doi:HT031432362

Methodik zur simultanen Lösungsmittelauswahl und Dimensionierung von Extraktionskolonnen = Methodology for simultaneous solvent selection and dimensioning of extraction columns

Kampwerth, Jan^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Kampwerth

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jupke, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Leonhard, Kai (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-02-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03326
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1032190/files/1032190.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (416310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
apparatus design (frei) ; extraction (frei) ; fluid dynamics (frei) ; model-based (frei) ; process development (frei) ; solvent screening (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei der Auslegung von Extraktionsprozessen wird in der Regel zunächst ein Lösungsmittel basierend auf einfachen Kriterien ausgewählt. Anschließend werden für dieses Lösungsmittel die Apparatedimensionen und Betriebsbedingungen optimiert sowie die Lösungsmittelrückgewinnung ausgelegt. Diese nicht-ganzheitliche Betrachtung bei der Lösungsmittelauswahl führt nicht zwangsläufig zum besten Gesamtergebnis. In dieser Arbeit wurde daher eine modellbasierte Methodik zur simultanen Lösungsmittelauswahl und Dimensionierung von Extraktionskolonnen entwickelt. Der betrachtete Prozess besteht aus der Extraktionskolonne sowie der Lösungsmittelrückgewinnung durch Rektifikation. Für jeden Lösungsmittelkandidaten werden individuell der optimale Betriebspunkt und die benötigten Apparatedimensionen bestimmt, um die minimalen Gesamtkosten zu erzielen. Anhand dieser minimalen Gesamtkosten wird das ökonomisch beste Lösungsmittel ausgewählt. Es wurden unterschiedliche Modellierungstiefen in der entwickelten Methodik betrachtet. Diese wurden mit experimentellen Daten abgeglichen und bezüglich des Einflusses auf das Ergebnis der Lösungsmittelauswahl und Kolonnendimensionierung bewertet. Zunächst wurde gezeigt, dass die Berücksichtigung fluiddynamischer Effekte auf die Extraktionseffizienz von großer Bedeutung ist. Im nächsten Schritt wurde der Einfluss von Querlöslichkeiten zwischen den Phasen betrachtet, welche starke Veränderungen in der Prozessauslegung bewirkten und somit auch die Lösungsmittelauswahl beeinflussten. Zum Schluss wurde gezeigt, dass die häufig verwendete Annahme einer Monodispersion mit dem Sauterdurchmesser keine signifikanten Nachteile in dieser Methodik hat gegenüber der komplexeren Berechnung mit einer Tropfengrößenverteilung. Zusammenfassend wurde eine neuartige Methodik entwickelt, die es bereits in einem frühen Stadium der Prozessentwicklung ermöglicht, wichtige Entscheidungen, wie die Lösungsmittelauswahl, basierend auf einer ganzheitlichen Betrachtung des Extraktionsprozesses zu treffen.

During development of extraction processes, a solvent is usually selected first based on simple criteria. Afterwards, the apparatus dimensions and operating conditions are optimized for this solvent and the solvent recovery is designed. This non-holistic approach for the solvent selection does not necessarily lead to the best overall result. In this work, a model-based methodology for the simultaneous solvent selection and dimensioning of extraction columns was therefore developed. The considered process consists of the extraction column and a solvent recovery by distillation. The optimum operating point and the required apparatus dimensions are determined individually for each solvent candidate in order to achieve the minimum overall costs. On the basis of these minimum total costs the most economical solvent is selected. Different modeling depths were considered in the developed methodology. They were compared with experimental data and evaluated with regard to the influence on the result of solvent selection and column dimensioning. First, it was shown that the consideration of fluid dynamic effects on the extraction efficiency is of great importance. In the next step, the influence of cross-solubilities between the phases was considered, which caused strong changes in the process design and thus also had an influence on the solvent selection. Finally, it was shown that the frequently used assumption of a monodispersion using the Sauter mean diameter has no significant disadvantages in this methodology compared to the more complex calculation based on a droplet size distribution. In summary, a novel methodology has been developed that enables important decisions, such as solvent selection, to be made at an early stage of process development based on a holistic consideration of the whole extraction process.

OpenAccess:
PDF
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