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Formaldehyde is an important intermediate in the chemical industry. In technical processes, formaldehyde is used in aqueous or methanolic solutions. In these, it is bound in oligomers that are formed in reversible reactions. These reactions and also the vapor-liquid equilibria of mixtures containing formaldehyde, water, and methanol have been thoroughly studied in the literature. This is, however, not the case for solid-liquid equilibria of these mixtures, even though the precipitation of solids poses important problems in many technical processes. Therefore, in the present thesis, a fundamental study on the formation of solid phases in the system (formaldehyde + water + methanol) was carried out. Based on the experiments, a physico-chemical model of the solid-liquid equilibrium was developed. Furthermore, also kinetic effects, which are important in practice, were described. The results enable, for the first time, to understand the solid formation in these mixtures, which previously was considered to be hard to predict.
The studies on the solid formation in formaldehyde-containing systems were carried out as a part of a project dealing with the production of poly(oxymethylene) dimethyl ethers (OME). OME are formaldehyde-based synthetic fuels that show cleaner combustion than fossil diesel. Different aspects of the OME production were studied. First, a conceptual design for a OME production process based on dimethyl ether (DME) was carried out based on process simulation. This study revealed that the DME route is principally attractive. However, basic data on the formation of OME from DME were missing, and had to be estimated for the conceptual design study. Therefore, in a second step an experimental study on the formation of OME from DME was carried out. In this reaction, trioxane, a cyclic trimer of formaldehyde is used as a water-free formaldehyde source. Trioxane is currently produced from aqueous formaldehyde solution in energy-intensive processes. Therefore, a new trioxane production process was developed in which trioxane is obtained from a crystallization step. In process simulations, the new process was compared to the best previously available process and was found to be promising.
While OME are excellent synthetic fuels, it is also attractive to use them in blends with hydrogenated vegetable oil (HVO), which is available on a large scale. However, blends of OME and HVO that are initially homogenous tend to demix after a while in technical applications. This phenomenon was poorly understood previously. Therefore, in this work, liquid-liquid equilibria in mixtures of individual components of the two fuels in combination with water were systematically studied and a corresponding model was developed.
In der biotechnologischen Herstellung von Proteinen ist die Fällung mit Hilfe von Salzen (z. B. Ammoniumsulfat) ein unkompliziertes und verbreitetes Verfahren, wobei die biologischen Eigenschaften der Proteine (meistens) erhalten bleiben. Dieses Verfahren basiert auf dem sogenannten „Aussalzeffekt“. Obwohl das „Aussalzen“ von Proteinen seit langem bekannt ist, ist das Phasenverhalten in Systemen aus Proteinen, Salzen und Wasser weitgehend ungeklärt. Das Phasenverhalten eines proteinhaltigen Systems wird durch eine Vielzahl von Parametern, z. B. Art und Konzentration der Stoffe, Temperatur, pH-Wert und Ionenstärke, beeinflusst. Darüber hinaus können beim Ausfällen der Proteine sowohl stabile als auch metastabile Phasengleichgewichte auftreten. In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen zum Phasenverhalten ternärer Systeme (Protein + Salz + Wasser) bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Das Ausfällen von Lysozym, Bovin Serum Albumin, Ovalbumin und Trypsin mit Hilfe verschiedener Salze (Ammoniumsulfat, Natriumsulfat und teilweise der flüchtigen Salze Ammoniumcarbamat und Ammoniumbicarbonat) wurde untersucht. Die experimentellen Untersuchungen erfolgten einerseits durch Bestimmung der Trübungskurven und andererseits durch Bestimmung der Zusammensetzung der koexistierenden Phasen. Zusätzlich wurden mikroskopische Untersuchungen durchgeführt, um die Struktur der proteinreichen Phase (amorph, kristallin) aufzuklären. Die vorliegende Arbeit trägt zur Aufklärung der das Ausfällen von Proteinen verursachenden physikalisch-chemischen Effekte am Beispiel einiger Modellsysteme bei. Es wurde gezeigt, dass flüchtige Salze (d. h. die Salze auf Basis von Ammoniak und Kohlendioxid) erfolgreich für die Aufarbeitung der wässrigen Proteinlösungen eingesetzt werden können. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sollen die Grundlage für eine in weiterführenden Arbeiten vorgesehene Modellierung solcher Phasengleichgewichte bilden.
Die Untersuchung der Löslichkeit basischer und saurer Gase in wässrigen Lösungen ist seit mehreren Jahren ein Schwerpunkt von Forschungsarbeiten am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der Universität Kaiserslautern. In Weiterführung dieser Arbeiten beschäftigt sich die vorliegende Arbeit einerseits mit Untersuchungen zur Löslichkeit von Kohlendioxid in wässrigen Lösungen von Kaliumchlorid und Kaliumhydroxid und andererseits sowohl mit der Löslichkeit von Schwefeldioxid bzw. Schwefeldioxid und Ammoniak in wässrigen Lösungen als auch mit kalorischen Effekten (Wärmetönungen), die beim Verdünnen solcher Lösungen auftreten. Ziel der Arbeiten war es, die bisher vorliegenden experimentellen Untersuchungen zu ergänzen und die zur Beschreibung der Thermodynamik solcher Systeme in früheren Arbeiten entwickelten Modelle weiter zu verbessern. Dazu wurden umfangreiche experimentelle Arbeiten sowohl zum Phasengleichgewicht als auch zur Enthalpie- änderung beim Verdünnen durchgeführt. Die neuen Ergebnisse wurden zunächst mit Vorhersagen des Modells verglichen und schließlich dazu benutzt, das Modell - insbesondere durch Neuanpassung/Erweiterung der Parameter - zu verbessern. Dies gelang für die kohlendioxidhaltigen Systeme mit einer - aufgrund der Erfahrun- gen aus früheren Arbeiten - erwarteten Qualität. Untersuchungen mit schwefeldioxidhaltigen Systemen wurden bisher nur in vergleichsweise geringem Umfang durchgeführt. Im experimentellen Teil der vor- liegenden Arbeit wurde deshalb einerseits die simultane Löslichkeit von Schwefel- dioxid und Ammoniak in wässrigen Lösungen der einzelnen Salze Natriumsulfat und Ammoniumsulfat und andererseits die Wärmetönung beim Verdünnen wässriger Lösungen von Schwefeldioxid mit reinem Wasser, wässriger Lösungen von Schwefeldioxid und Natriumsulfat bzw. Ammoniumsulfat mit der jeweiligen Salzlösung, wässriger Lösungen von Schwefeldioxid und Ammoniak mit reinem Wasser und wässriger Lösungen von Schwefeldioxid, Ammoniak und Natriumsulfat bzw. Ammoniumsulfat mit den jeweiligen Salzlösungen experimentell bestimmt. Die Untersuchungen zur Gaslöslichkeit erfolgten bei Temperaturen zwischen 40 °C und 130 °C und Drücken bis max. 10 MPa, die kalorimetrischen Untersuchungen bei 40 °C und 80 °C und Drücken bis ca 1 MPa. Die Salzkonzentration lag üblicherweise bei 1.0 mol/kg bis 4 mol/kg Wasser, die Konzentration von Schwefeldioxid bzw. Ammoniak im Bereich bis ca. 6 mol/kg Wasser. Ausgangspunkt der Modellerweiterung war ein auf der Basis experimenteller Untersuchungen einerseits zur Löslichkeit von Schwefeldioxid in reinem Wasser sowie in wässrigen Lösungen der einzelnen Salze Natriumsulfat bzw. Ammonium- sulfat und andererseits von Schwefeldioxid und Ammoniak in reinem Wasser in früheren Arbeiten erstelltes Modell, bei dem die Eigenschaften der flüssigen Phase mit einem ursprünglich von Pitzer vorgeschlagenen Ansatz beschrieben werden. Diese Modellierung berücksichtigt auch chemische Reaktionen wie die Bildung von Bisulfit und Sulfit aus Schwefeldioxid und die von Ammoniumionen aus Ammoniak. Beim Vergleich von Rechenwerten mit den experimentellen Ergebnissen zeigten sich, vor allem bei der Wärmetönung, teilweise beträchtliche Abweichungen. Bei der Überarbeitung des Modells wurden nur Modellparameter, die physikalische Wechsel- wirkungen beschreiben, neu bestimmt. Für diese Überarbeitung wurden keine experimentellen Ergebnisse für die "Vierkomponenten-Systeme" - also Ammoniak, Schwefeldioxid, Wasser mit Sulfatsalz - verwendet. Diese Ergebnisse wurden zum Test der überarbeiteten Modellierung herangezogen. Bei diesen theoretischen Arbeiten bestätigte sich die aus früheren Arbeiten bekannte Erfahrung, dass die zur Parameterbeschreibung verwendeten experimentellen Ergebnisse nahezu im Rahmen der experimentellen Genauigkeit korreliert werden können. Die Vorhersagen des so parametrierten Modells für die gleichzeitige Löslichkeit von Schwefeldioxid und Ammoniak in den sulfathaltigen, wässrigen Lösungen stimmen jedoch nur befriedigend - und damit schlechter als erwartet - mit den experimentellen Ergeb- nissen überein. Noch deutlich größere Abweichungen ergaben sich beim Vergleich von Messwerten und Modellvorhersagen für die Wärmetönung beim Verdünnen. Versuche, diese Abweichungen z. B. durch Neuanpassung der Wechselwirkungs- parameter oder Berücksichtigung weiterer Wechselwirkungsparameter deutlich zu verringern, waren nicht erfolgreich. Es wird deshalb vermutet, dass in den schwefeldioxidhaltigen, wässrigen Lösungen nicht nur die Bildung von Bisulfit und Sulfit, sondern auch diejenige weiterer Spezies (z. B. die in der Literatur kontrovers diskutierte Bildung von Pyrosulfit) berücksichtigt werden muss. Dies soll in weiter- führenden Arbeiten auch mit Einsatz weiterer Messmethoden, z. B. der IR-Spektroskopie, untersucht werden.