Die Analyse des gegenwärtigen Wissenstands zu den Setzmaschinen zeigt, dass sie vornehmlich empirisch auf der Grundlage von Betriebserfahrungen und Versuchen dimensioniert werden. Die Hauptursache ist die mangelnde mathematisch-physikalische Durchdringung des Setzprozesses. Insbesondere im Feinkornbereich besteht sowohl bei der mathematisch-physikalischen Modellbildung, als auch für den Bereich systematischer experimenteller Untersuchungen Forschungsbedarf. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Auslegungsmodells speziell für Durchsetzmaschinen. Ausgangspunkt für die Entwicklung des Modells war die Erarbeitung einer Systematik unter Berücksichtigung der für den Durchsetzprozess relevanten Einfluss- und Zielgrößen. Die Ergebnisse der durchgeführten experimentellen Untersuchungen relevanter Einflussgrößen dienten zur Validierung der Ergebnisse des zu entwickelnden Modells.

Polypropylene (PP) is a common thermoplastic and frequently adapted permanently with increasing requirements by adding fillers as well as reinforcing materials. Because of incompatibility of non-polar PP and polar inorganic filler, resulting composites are brittle which has a detrimental effect on the desired properties. Improvements in mechanical properties can be reached by compatibilization, creating of chemical couplings between phases and by increasing of inhomogeneity. Thus, maleic anhydride grafted PP is used as well as reactive processing of PP in presence of peroxide radical initiators. The temperature dependence of peroxide decay as well as the dependence of radical generation rate on time are two disadvantages of peroxide induced reactive processing. Modification of polymers with high energy electron treatment is also well known and used to form parts (after) molding as well as raw materials (pellets, powders, fibers) in solid state and at room temperature. The spatially and temporally precise input of energy is used to produce desired material properties on radical-induced chemical reactions. Coupling of high energy electron modification of polymers and melt mixing offers a new possibility of reactive processing. In this case, radical generation is independent of temperature, can be easily controlled by beam current and kept constant over time. Absence of any crystallinity, high reaction rates as well as intensive macromolecular mobility and intensive mixing are reasons to expect novel structures and properties. Electron beam induced reactive processing is a novel technique where chemical reactions are induced by spatial and temporal precise energy input via high energy electrons under dynamic conditions of melt mixing. This method gives the possibility to increase surface energy of polypropylene (PP) effectively as well as to generate chemical couplings between filler and PP. The process was applied to a proved system consisting of PP (38 wt%), magnesium hydroxide (MH) (60 wt%), triallyl cyanurate (TAC) (2 wt%). This composite system was successful tested in peroxide induced conventional reactive processing. Absorbed dose imparted per rotation of rotors is a new parameter controlling mechanical properties of polymer composites. Improved properties were found in tensile strength (150 %), elongation at break (175 %), and impact strength (175 %). It can be shown that chemical couplings are generated during electron induced reactive processing in comparison to only compatibilized material.

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Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung eines Aufbereitungsprozesses zur Gewinnung von Bitumen aus kanadischem Athabasca Ölsand, der im Tagebau gewonnen wurde. Es wird ein mechanisch-thermisches Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung eingesetzt. Dabei handelt es sich um vier Schritte: (1) Suspendierung des Ölsandes mit den organischen Lösungsmitteln, Toluol und n-Heptan, (2) Filterkuchenbildung, (3) Waschung des Filterkuchens mit Wechsel der Waschflüssigkeiten (gradierte Waschung) und (4) Dampfbeaufschlagung. Der Prozess stellt eine Alternative zur herkömmlichen Heißwasser-extraktion des Ölsandes dar. Die Nachteile der Heißwasserextraktion sind ökologische Probleme, ein hoher Energie- und Frischwasserbedarf. Die Ziele des Alternativprozesses sind die Minimierung des Wasser- und Energiebedarfs, Vermeidung schädlicher Abfallstoffe sowie die Maximierung der Bitumenausbeute. Als Produkte sollen feststofffreies Bitumen und rückstandsfreier, deponierbarer Feststoff gewonnen werden.

Polypropylene (PP) is a common thermoplastic and frequently adapted permanently with increasing requirements by adding fillers as well as reinforcing materials. Because of incompatibility of non-polar PP and polar inorganic filler, resulting composites are brittle which has a detrimental effect on the desired properties. Improvements in mechanical properties can be reached by compatibilization, creating of chemical couplings between phases and by increasing of inhomogeneity. Thus, maleic anhydride grafted PP is used as well as reactive processing of PP in presence of peroxide radical initiators. The temperature dependence of peroxide decay as well as the dependence of radical generation rate on time are two disadvantages of peroxide induced reactive processing. Modification of polymers with high energy electron treatment is also well known and used to form parts (after) molding as well as raw materials (pellets, powders, fibers) in solid state and at room temperature. The spatially and temporally precise input of energy is used to produce desired material properties on radical-induced chemical reactions. Coupling of high energy electron modification of polymers and melt mixing offers a new possibility of reactive processing. In this case, radical generation is independent of temperature, can be easily controlled by beam current and kept constant over time. Absence of any crystallinity, high reaction rates as well as intensive macromolecular mobility and intensive mixing are reasons to expect novel structures and properties. Electron beam induced reactive processing is a novel technique where chemical reactions are induced by spatial and temporal precise energy input via high energy electrons under dynamic conditions of melt mixing. This method gives the possibility to increase surface energy of polypropylene (PP) effectively as well as to generate chemical couplings between filler and PP. The process was applied to a proved system consisting of PP (38 wt%), magnesium hydroxide (MH) (60 wt%), triallyl cyanurate (TAC) (2 wt%). This composite system was successful tested in peroxide induced conventional reactive processing. Absorbed dose imparted per rotation of rotors is a new parameter controlling mechanical properties of polymer composites. Improved properties were found in tensile strength (150 %), elongation at break (175 %), and impact strength (175 %). It can be shown that chemical couplings are generated during electron induced reactive processing in comparison to only compatibilized material.:1 Einleitung 6 2 Stand der Technik 8 2.1 Werkstoffeigenschaften von Polypropylen-Kompositen 8 2.1.1 Polypropylen 8 2.1.2 Füll- und Verstärkungsstoffe 10 2.1.3 Phasengrenze und Phasenmorphologie 12 2.1.3.1 Füllstoffmodifizierung 15 2.1.3.2 PP-Modifizierung 16 2.1.3.3 Mehrkomponentensysteme 17 2.1.3.4 Ansätze aus anderen Werkstoffsystemen 18 2.2 Reaktive Aufbereitung 19 2.3 Polymermodifizierung mit energiereichen Elektronen 22 2.3.1 Einordnung und Wechselwirkungsmechanismen 22 2.3.2 Einfluss von Polymerstruktur und G-Wert 25 2.3.3 Steuerparameter 26 2.3.3.1 Parameter der chemischen Umgebung 26 2.3.3.2 Parameter der Elektronenmodifizierung 28 2.3.4 Bestrahlung von Polypropylen 32 2.3.5 Bestrahlung von partikelgefüllten Thermoplastkompositen 33 2.3.6 Bestrahlung von Füll- und Verstärkungsstoffen 33 2.4 Zusammenfassung Stand Technik 34 3 Zielstellung 37 4 Aufgabenstellung 39 5 Experimentelles 40 5.1 Anlagentechnik 40 5.1.1 Stationäre Behandlung 40 5.1.2 Elektronen induzierte reaktive Aufbereitung 41 5.1.2.1 Aufbau u. Funktionsweise 41 5.1.2.2 Parameter der Elektronen induzierten reaktiven Aufbereitung 42 5.1.2.3 Dosimetrie 44 5.2 Probenherstellung 45 5.2.1 Materialien 45 5.2.2 Aufbereitung 45 5.2.3 Prüfkörperherstellung 46 5.3 Modifizierungsparameter 47 5.4 Vorgehensweise 49 5.5 Analytische Methoden 51 5.5.1 Zugversuch 51 5.5.2 Schlagbiegeversuch (nach Charpy) 52 5.5.3 Größenausschlusschromatographie (SEC) 54 5.5.4 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 55 5.5.5 Laserbeugungsspektrometrie 57 5.5.6 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 58 5.5.7 Fourier-Transmissions-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) 58 5.5.8 Dynamische Kontaktwinkelmessung 59 5.5.9 Schmelzerheologische Untersuchungen von Polymerschmelzen 60 5.5.9.1 Ungefüllte Polymerschmelzen 62 5.5.9.2 Partikelgefüllte Polymerschmelzen 63 6 Ergebnisse 68 6.1 Mechanische Kompositeigenschaften 68 6.2 Matrixpolymersysteme PP und PPTAC 69 6.3 Partikelgröße und -verteilung 75 6.4 Kompatibilität 77 6.5 Phasenkopplung 82 6.6 Inhomogenität 86 6.7 Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die mechanischen Eigenschaften 87 6.7.1 Dosis 88 6.7.2 Elektronenenergie 90 6.7.3 Bestrahlungsdauer 91 6.7.4 Aufbereitungszeit 93 6.7.5 Dosisleistung im Modifizierungsvolumen 96 7 Zusammenfassung 98 8 Ausblick 100 9 Anhang 104 10 Literaturverzeichnis 112 11 Abkürzungsverzeichnis 115

Thermoplastic Vulcanizates (TPVs) are itself a commercially high valued group of polymer blend. They render technological properties of conventional vulcanized elastomers with the ease of thermoplastic melt (re)processability. With ever growing market, TPVs have got plenty of applications among various fields. Here, the technological properties of these TPVs were tailored according to the purpose by interplaying physical parameters of polymers and advanced high energy electron technology. Electron irradiation, though a well-known technique for cross-linking in polymer industry, is only restricted to final product treatment. We take it to the next level by coupling a conventional internal mixer and a high energy electron accelerator. Polypropylene (PP) and natural rubber (NR) based TPVs have been prepared using this new reactive processing technology, named Electron Induced Reactive Processing (EIReP). Various electron treatment parameters were explored to maximize technological properties of TPVs. Effects of various polyfunctional monomers (PFM) were also studied. In an endeavor to develop a potential method for customization, deep insights of macroscopic and microscopic structure of these TPVs were presented with the help of various advanced scientific characterization techniques. Commonly faced difficulties like viscosity mismatch, cure rate mismatch, and incompatibility due to different molecular structures were furnished along with plausible solutions. Investigation of phase inversion from co-continuous matrix to thermoplastic matrix was dealt with special care as it helps to understand structure property correlation for all TPVs. To make the whole effort relevant, at the end of this thesis a summary of various technological properties has been given for the newly processed and commercially available TPVs.

In der Dissertation werden die während der Mahltrocknung von Rohbraunkohle ablaufenden Teilprozesse systematisch analysiert und allgemein gültigen Funktionen für den Stoffumsatz zugeordnet. Es entsteht eine Kenntnisstandmatrix, die ausgewählte Literaturstellen einordnet und unbearbeitete Forschungsfelder offenlegt. Diesbezüglich werden Untersuchungen zum Bewegungsverhalten der Kohle beim Eintritt in das Schlagrad angestellt. Anhand eines neuen Berechnungsmodells und experimenteller Fallversuche lassen sich u.a. Aussagen zur konstruktiven Ausführung der Mühlentür treffen. Weiterhin wird in der Arbeit untersucht, welchen Einfluss Partikelgröße, -dichte und -form der Kohlebestandteile Berge, Xylite und Kohlenstaub auf den Sichtprozess haben. Zur Darstellung der berechneten Trennfunktionen T(vs) dient die stationäre Sinkgeschwindigkeit vs als Trennmerkmal. Abschließend folgt ein Ergebnisvergleich mit Messwerten an einem Modellversuchsstand und an realen Mahltrocknungsanlagen im Kraftwerk.

Für die Weich- und Mittelhartzerkleinerung von Primär- und Sekundärrohstoffen werden zunehmend Profilwalzenbrecher eingesetzt. Trotz relativ geringer Zerkleinerungsgrade zeichnen sie sich durch einen geringen spezifischen Leistungsbedarf, hohe Durchsätze, eine einfache Konstruktion und Instandhaltung sowie eine störungsfreie Betriebsweise aus und sind auch bei adhäsivem Aufgabematerial anwendbar. Trotz der Bedeutung dieser Maschinen gibt es bisher nur unzureichende Auslegungsmethoden. Die theoretisch begründete Modellierung der Zerkleinerung in markant profilierten Walzenbrechern ist deshalb Gegenstand dieser Arbeit, um dadurch die Dimensionierungsgrundlagen zu verbessern und Einsatzmöglichkeiten in der Hartzerkleinerung abzuschätzen. Dazu werden im Rahmen einer Systembetrachtung zunächst die wesentlichen Prozessparameter der Zerkleinerung ermittelt und die Bauarten von Profilwalzenbrechern klassifiziert (Kapitel 2). Die Darstellung der bekannten Berechnungsmodelle für die Hauptzielgrößen „Grenzdurchsatz“, „Produktgranulometrie“ und „Leistungsbedarf“ ist Gegenstand von Kapitel 3. Darauf aufbauend wird in Kapitel 4 ein neues, physikalisch begründetes Auslegungsmodell vorgestellt und das Untersuchungsfeld hinsichtlich der zu analysierenden Aufgabestoffart und Maschinengeometrie eingegrenzt. Die für dieses Modell erforderlichen Zerkleinerungstest- und Simulationsergebnisse werden in Kapitel 5 und 6 dargestellt, bevor die Arbeit in Kapitel 7 mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick abschließt.:Symbolverzeichnis III Tabellenverzeichnis XX Abbildungsverzeichnis XXI 1 Einleitung und Problemstellung 1 2 Systemanalyse von Profilwalzenbrechern 3 2.1 Einfluss- und Zielgrößen von Profilwalzenbrechern 3 2.2 Systematisierung und Einordnung von Profilwalzenbrechern 7 2.2.1 Klassifizierung von Profilwalzenbrechern 8 2.2.1.1 Klassifizierung nach konstruktiven Maschinenparametern 9 2.2.1.2 Klassifizierung nach der Belastungsart 18 2.2.2 Abgrenzung von Profilwalzenbrechern 25 3 Erkenntnisstand zur Zerkleinerung in Profilwalzenbrechern 29 3.1 Wertebereiche der Einfluss- und Zielgrößen von Profilwalzenbrechern 29 3.2 Auslegungsmodelle von Profilwalzenbrechern 32 3.2.1 Ermittlung des Grenzdurchsatzes 32 3.2.1.1 Einzugsbedingung für das Einzelkorn 32 3.2.1.2 Theoretisch begründete Ansätze für den Grenzdurchsatz 38 3.2.1.3 Empirische Ansätze für den Grenzdurchsatz 47 3.2.2 Ermittlung der Produktkorngrößenverteilung 49 3.2.3 Ermittlung des Leistungsbedarfs 54 3.2.3.1 Theoretisch begründete Ansätze für den Leistungsbedarf 57 3.2.3.2 Empirische Ansätze für den Leistungsbedarf 68 3.3 Wertung des Erkenntnisstandes und Präzisierung der Aufgabenstellung 75 4 Neues Auslegungsmodell für Profilwalzenbrecher 77 4.1 Aufbau des Modells 77 4.2 Voruntersuchungen zu den Einflussgrößen des Modells 78 4.2.1 Analyse maschinenbezogener Parameter 78 4.2.1.1 Primäroptimierung der Profilwalzengeometrie 79 4.2.1.2 Sekundäroptimierung der Profilwalzengeometrie 86 4.2.2 Analyse aufgabestoffbezogener Parameter 95 4.2.3 Analyse systembezogener Parameter 99 4.3 Bestimmung der Zielgrößen des Modells 101 4.3.1 Simulation der Einzelkornzerkleinerung in einem Modellwalzenbrecher 101 4.3.2 Aggregation der Simulationsergebnisse auf die Massestromzerkleinerung 102 4.3.3 Skalierung der Simulationsergebnisse auf den Originalwalzenbrecher 110 5 Zerkleinerungsversuche für das neue Auslegungsmodell 115 5.1 Grundlagen zur Einzelkorndruckzerkleinerung 115 5.1.1 Physikalische Beschreibung von Deformations- und Bruchprozessen 115 5.1.2 Empirische Analyse von Deformations- und Bruchprozessen 121 5.1.2.1 Einfluss- und Zielgrößen der Einzelkorndruckzerkleinerung 121 5.1.2.2 Korngrößeneffekt der Einzelkorndruckzerkleinerung 124 5.1.2.2.1 Versuchsergebnisse zum Korngrößeneffekt 124 5.1.2.2.2 Mathematisch-statistische Ansätze zum Korngrößeneffekt 128 5.2 Experimentelle Untersuchungen zur Einzelkorndruckzerkleinerung 132 5.2.1 Aufbau der Versuchsapparaturen 132 5.2.2 Durchführung der Versuche 134 5.2.3 Auswertung der Versuche 136 6 DEM-Simulationen für das neue Auslegungsmodell 141 6.1 Grundlagen zur DEM-Simulation 141 6.1.1 Beschreibung der DEM 141 6.1.2 Bisherige DEM-Simulationen von Zerkleinerungsprozessen 151 6.2 Kalibrierung des DEM-Gesteinsmodells 154 6.2.1 Statistische Simulationsplanung 156 6.2.2 Simulationsdurchführung 159 6.2.3 Voroptimierung 161 6.2.4 Nachoptimierung 164 6.3 Walzenbrechersimulationen mit dem kalibrierten DEM-Gesteinsmodell 166 6.3.1 Aufbau des Walzenbrechersimulationsprogramms 166 6.3.2 Ergebnisse der Walzenbrechersimulationen 169 6.3.2.1 Simulationsergebnisse zum Massedurchsatz des Walzenbrechers 169 6.3.2.2 Simulationsergebnisse zur Produktkorngrößenverteilung des Walzenbrechers 171 6.3.2.3 Simulationsergebnisse zum Leistungsbedarf des Walzenbrechers 174 7 Zusammenfassung und Ausblick 178 Literaturverzeichnis XXIV Anlagenverzeichnis XXXV

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines dieselbetriebenen autothermen Reformierungssystems (ATR-Einheit) zur Bereitstellung von wasserstoff- und kohlenmonoxidreichem Synthesegas für den maritimen Betrieb einer MCFC-Brennstoffzelle. Aufgrund der niedrigen Schadstoffemissionen sowie des hohen Wirkungsgrades hat dieses System das Potential eine mögliche Alternative zu den bisherigen Schiffsdieselmotoren aufzuzeigen, welche die zukünftigen Emissionsgrenzwerte einhält und zudem noch zu Kosteneinsparungen durch einen geringeren Brennstoffverbrauch beiträgt. Die Hauptkomponenten des Reformierungssystems umfassen im Wesentlichen einen autothermen Reformierungsreaktor sowie einen nachgeschalteten Entschwefelungsreaktor. Für den optimalen Betrieb der beiden Reaktoren wurde ein Verschaltungskonzept entwickelt und umgesetzt, welches durch zusätzliche Peripheriekomponenten wie Strömungsverteiler, Mischer und Wärmeübertrager ergänzt wurde. Diese haben die Aufgabe einen stabilen Reformierungs- und Entschwefelungsprozess zwischen 50 % bis 100 % Betriebslast zu gewährleisten, wofür diverse experimentelle und numerische Methoden zur Optimierung herangezogen wurden. Darüber hinaus wurde die Konzeptionierung der Gesamtverschaltung im Hinblick auf eine gute Regelbarkeit untersucht. Hierfür wurden mehrere Bypassschaltungen vorgesehen, welche bei Teillastbetrieb konstante Betriebstemperaturen am Eintritt des Entschwefelungsreaktors und der Brennstoffzellen ermöglichen. Für die Bestimmung der optimalen Betriebskenngrößen wurden umfangreiche Prozesssimulationen durchgeführt mit Hilfe deren die Auslegung der einzelnen Baugruppen erfolgte. Darüber hinaus wurden insbesondere die optimalen O/C- und S/C-Verhältnisse bestimmt, welche sowohl einen hohen Wirkungsgrad als auch die Einhaltung der Systemrandbedingungen gewährleisten. Mit Hilfe der ermittelten Betriebskenngrößen wurde ein Gesamtkonzept entwickelt, womit neben der konstruktiven Umsetzung insbesondere die Werkstoffauswahl für das druckbeaufschlagte System definiert werden konnte. Im Hinblick auf die Erzielung eines möglichst hohen Reformerwirkungsgrades unter stabilen Betriebsbedingungen wurde das Reformierungssystem als Kernkomponente eines Fuel Processing Moduls realisiert und charakterisiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sich mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten Systems ein stabiler Betrieb über mehrere Tage ohne Katalysatordeaktivierung realisieren lässt. Ebenfalls konnte ein modulierender Betrieb zwischen 50 % bis 100 % Betriebslast dargestellt werden, wobei alle Temperaturrestriktionen eingehalten wurden. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass mittels des entwickelten Reformierungssystems eine mögliche Alternative zu den bisherigen Schiffsdieselmotoren aufgezeigt wurde, welche in Kombination mit MCFC-Brennstoffzellen die zukünftig geforderten Schadstoffrestriktionen erfüllt.

In der Dissertation werden die während der Mahltrocknung von Rohbraunkohle ablaufenden Teilprozesse systematisch analysiert und allgemein gültigen Funktionen für den Stoffumsatz zugeordnet. Es entsteht eine Kenntnisstandmatrix, die ausgewählte Literaturstellen einordnet und unbearbeitete Forschungsfelder offenlegt. Diesbezüglich werden Untersuchungen zum Bewegungsverhalten der Kohle beim Eintritt in das Schlagrad angestellt. Anhand eines neuen Berechnungsmodells und experimenteller Fallversuche lassen sich u.a. Aussagen zur konstruktiven Ausführung der Mühlentür treffen. Weiterhin wird in der Arbeit untersucht, welchen Einfluss Partikelgröße, -dichte und -form der Kohlebestandteile Berge, Xylite und Kohlenstaub auf den Sichtprozess haben. Zur Darstellung der berechneten Trennfunktionen T(vs) dient die stationäre Sinkgeschwindigkeit vs als Trennmerkmal. Abschließend folgt ein Ergebnisvergleich mit Messwerten an einem Modellversuchsstand und an realen Mahltrocknungsanlagen im Kraftwerk.