Absorptions-/Desorptionsanlage für den Einzel- und Kreislaufbetrieb
Final Report Abstract
Im ersten Jahr (2014) wurde das Großgerät im Rahmen des EU-Projektes CAPSOL („Design Technologies for Multi-scale Innovation and Integration in Post-Combustion CO2 Capture: From molecules to Unit Operations and Integrated Plants“) eingesetzt. Untersucht wurde die chemische CO2-Abscheidung aus Rauchgasen, wobei der Fokus auf Studien von Kolonneneinbauten und Lösungsmittel lag. Im Einzelnen wurde eine innovative Strukturpackung mit einem Neigungswinkel von 75° und das vielversprechende Lösungsmittel Monopropanolamin (MPA). Zudem sind Experimente mit einer Standardpackung mit einem Neigungswinkel von 45° und mit dem Standardlösungsmittel Monoethanolamin (MEA) durchgeführt worden. Die Untersuchung der neuen Packung mit einem Neigungswinkel von 75° hat gezeigt, dass im Vergleich zu herkömmlichen Packungen (45°) der Druckverlust immens gesenkt werden kann. Bei einer Gasbelastung, angegeben als F-Faktor (F=vG(ρG)0,5), von beispielsweise 2,5 Pa0,5 und einer Flüssigkeitsbelastung von 20 m³/m²h sinkt der Druckverlust um 94%. Absorptionsmessungen am System CO2 / Luft / MEA haben gezeigt, dass der CO2-Abscheidegrad, welcher mit der Strukturpackung mit 75° Neigungswinkel erreicht werden kann, um max. 10 % (je nach Betriebsbedingungen) niedriger als für die Standardpackung mit einem Neigungswinkel von 45° liegt. Die Ergebnisse der genannten Messungen wurden im Rahmen des CAPSOL-Projektes weitergehend genutzt, um Parameter-Korrelationen zu entwickeln, die für modellbasierte Prozesssimulationen notwendig waren. Die darauf folgenden Simulationen haben gezeigt, dass die neue Strukturpackung für den großtechnischen Einsatz an Gas- bzw. Kohlekraftwerken sehr gut geeignet ist. Der Druckverlust wird stark gesenkt, während der Abscheidegrad nur um etwa 1 % für ein Gaskraftwerk und etwa 5 % für ein Kohlekraftwerk sinkt. Das neue Lösungsmittel MPA hat in den durchgeführten Experimenten keine Verbesserung gegenüber dem Standardlösungsmittel MEA zeigen können. Im zweiten Jahr (2015) wurde das Großgerät im Rahmen einer haushaltsgeförderten Untersuchung genutzt. Dabei wurden Fluiddynamik (System: Wasser / Luft) und Stofftransport (System: CO2 / Luft / MEA) für eine Kombination aus konventioneller Strukturpackung und spiralförmigen Einsätzen untersucht. Basis für die experimentellen Untersuchungen bilden hierbei CFD-Simulationen. Mit Hilfe der Simulationen wurde eine optimierte Spiralgeometrie entwickelt. Diese wurde anschließend durch additive Fertigung, dem sogenannten Selective Laser Melting (SLM) oder auch als 3D-Druck bekannt, hergestellt. Als Referenz wurden Experimente mit einer konventionellen Standardpackung durchgeführt. Die Messungen der Fluiddynamik bestätigten die Vorhersagen der CFD-Simulationen, nämlich, dass der Druckverlust der Strukturpackungen mit Spiralen im Vergleich zur Packung ohne Spiralen nur geringfügig um ca. 10-20% ansteigt, obwohl die spezifische Oberfläche durch die Einführung der Spiralen dabei von 250 m²/m³ auf 400 m²/m³ erhöht wird. In der Literatur wird angegeben, dass eine konventionelle Packung mit einer ähnlich hohen spezifischen Oberfläche einen ca. doppelt so großen Druckverlust im Vergleich zu der Packung mit 250 m²/m³ besitzt. Erste Absorptionsmessungen zeigten, dass der Stofftransport für die Packungen mit Spiralen im Vergleich zu der Packung ohne Spiralen deutlich besser ist. Hier müssen jedoch weitere Vergleichsmessungen für eine Packung mit einer spezifischen Oberfläche von 400 m²/m³ durchgeführt werden. Nichtsdestotrotz kann davon ausgegangen werden, dass die neue Packungskonfiguration mit Spiralen eine höhere Effizienz als konventionelle Packungen aufweist, was die vorangegangenen Ergebnisse der CFD-Simulationen nochmals bestätigt. Im dritten Jahr (2016) wurde das Großgerät im Rahmen des DFG-Projektes „Experimentelle und theoretische Untersuchung der Fluiddynamik und des Stofftrennverhaltens von Anstaupackungen“ verwendet. Anstaupackungen bestehen aus zwei alternierenden Lagen strukturierter Packungen mit unterschiedlicher spezifischer Oberfläche. Die untere Anstaulage weist eine geringere Lastgrenze auf als die darüber angeordnete Abscheidelage. Anstaupackungen werden üblicherweise zwischen den Flutpunkten der beiden Lagen betrieben, weshalb ein heterogenes Strömungsmuster entsteht. Dabei bildet sich oberhalb der gefluteten Anstaulage eine Sprudelschicht, die durch eine intensive Vermischung der Phasen geprägt ist und eine hohe Trennleistung erzielt. Untersucht wurde die Fluiddynamik in Abhängigkeit verschiedener Gas- und Flüssigkeitsbelastungen von Anstaupackungskombinationen, bei denen die Höhe der Anstaulage variiert wurde. Es konnte gezeigt werden, dass mit steigender Höhe der Anstaulage der Druckverlust der Anstaupackung ansteigt und der Gasbelastungsfaktor am Flutpunkt der Anstaupackung kleiner wird. Zudem werden die Ergebnisse der Fluiddynamikuntersuchungen genutzt, um die Stofftransportuntersuchungen, welche im Jahr 2017 durchgeführt werden sollen, gezielt zu planen.
Publications
- A new absorption-desorption pilot plant for CO2-capture, Chemical Engineering Transactions 39: 1417-1422, 2014
Hüser, N., Kenig, E.Y.
(See online at https://doi.org/10.3303/CET1439237) - Experimentelle Untersuchung und Bewertung einer strukturierten Packung mit 75°-Neigungswinkel für die CO2-Abscheidung, Chemie Ingenieur Technik 86: 1451-1452, 2014
Hüser, N., Dubjella, P., Hugen, T., Rietfort, T., Kenig, E.Y.
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201450100) - Modelling and experimental study of CO2 capture by aqueous monoethanolamine, Proc. 10th International Conference on Distillation & Absorption 2014, Friedrichshafen
Yazgi, M., Hüser,N., Kenig, E.Y.
- Numerische Untersuchung einer neuen Strukturpackung mit 75° Neigungswinkel für die CO2-Abscheidung, Chemie Ingenieur Technik 87:1070, 2015
Hüser, N., Kenig, E.Y.
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201550025)
