Im Rahmen dieser Studienarbeit werden die bereits existierenden Modelle von Kunii und Levenspiel berechnet und weiterentwickelt. Hierzu wird der Reaktor, in dem die CO2 - Abscheidung aus dem Rauchgas stattfindet modelliert. Ziel ist es die CO2 - Einbindungsreaktion abzubilden, also eine Aussage darüber treffen zu können, wie viel CO2 aus dem Rauchgas sequestriert werden kann. Hierzu wird der höhen- und zeitabhängige Konzentrationsverlauf von dem verbleibenden CO2 im Reaktor berechnet. Anhand dieser Konzentrationen soll dann mit Hilfe des ersten Hauptsatzes (1.HS) der Thermodynamik die Temperatur an den im Reaktor befindlichen Temperaturmessstellen berechnet werden, um diese dann mit den gemessenen Werten zu vergleichen, und so eine Validierung des Modells vornehmen zu können. Als Grundlage für die Messergebnisse dienen Versuche, die an der Versuchsanlage der TU Darmstadt durchgeführt wurden.
Bedingt durch den steigenden Stromverbrauch und den damit einhergehenden steigenden CO2 - Emissionen wird nach Möglichkeiten gesucht, diese Emissionen zu senken. Durch die Zunahme von CO2 in der Atmosphäre kommt es auf der Erde zu einem Temperaturanstieg, der unter anderem das Schmelzen von Eis an den Polen zur Folge hat. Um die CO2 - Emissionen reduzieren zu können gibt es mehrere Vermeidungsstrategien. Eine Reduktion kann z.B. durch eine Senkung des Stromverbrauchs, aber auch durch eine Erhöhung der Anlagenwirkungsgrade erreicht werden. Ferner kann das bei der Verbrennung entstandene CO2 aus dem Rauchgas abgeschieden werden bzw. schon vor der Verbrennung separiert werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Hintergrund der Arbeit
1.2 Zielsetzung dieser Arbeit
2 Verfahren zur CO2 - Reduktion
2.1 Chemical Looping
2.2 Oxyfuel Prozess
2.3 CO2 - Wäsche
2.4 Carbonate Looping
3 Modellierung der chemischen Reaktion im Reaktor
3.1 Grundlagen der Wirbelschicht
3.2 Grundlagen der Modellbildung
3.2.1 Unterscheidung aktives inaktives Inventar
3.2.2 Kunii - Levenspiel - Modell
3.2.2.1 Reaktionsgeschwindigkeit
3.2.2.2 Dichte Phase
3.2.2.3 Dünne Phase
4 Simulation
4.1 Zeitabhängigkeit
4.1.1 Konzentrationsverläufe in der dichten und dünnen Phase
4.1.2 Kontakteffizienz
4.1.3 Diffusionsgeschwindigkeit
4.1.4 kinetische Reaktionsrate und Gesamtreaktionsrate
4.1.5 Reaktionsrate in der dichten Phase
4.1.6 Umwandlung von CaO zu CaCO3
4.1.7 Parameterbetrachtung
4.1.7.1 Höhe der dichten Phase
4.1.7.2 Strömungsgeschwindigkeit
4.1.7.3 Temperatur
4.1.7.4 Zusammenfassung Parameterbetrachtung
4.2 Ortsabhängigkeit
5 Validierung
5.1 Definition der Messstellen
5.2 Validierung des Modells
6 Zusammenfassung und Diskussion
7 Ausblick und Optimierungsmöglichkeiten
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, die chemische Einbindereaktion von CO2 durch CaO in einem Wirbelschichtreaktor mittels der Modelle von Kunii und Levenspiel abzubilden und weiterzuentwickeln. Hierbei wird der höhen- und zeitabhängige Konzentrationsverlauf von CO2 im Reaktor berechnet, um durch einen thermodynamischen Vergleich mit Messdaten aus einer Versuchsanlage der TU Darmstadt eine Validierung des Modells durchzuführen.
- Modellierung von CO2-Abscheidungsverfahren mittels Carbonate Looping
- Berechnung der Reaktionskinetik und Diffusionsprozesse in Wirbelschichtphasen
- Einsatz von SIMULINK und MATLAB zur Simulation zeit- und ortsabhängiger Konzentrationsverläufe
- Parameterstudien zum Einfluss von Reaktorhöhe, Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur
- Validierung des Simulationsmodells anhand experimenteller Messdaten
Auszug aus dem Buch
3.2.1 Unterscheidung aktives inaktives Inventar
Im Reaktor befinden sich zwei Fraktionen von CaO. Die eine Fraktion wird durch X, und die andere Fraktion durch Xb,N charakterisiert. Es wird zwischen CaO unterschieden, das mit CO2 reagieren kann (aktiv) und CaO das nicht reagieren wird (inaktiv), da es mit zunehmender Zyklenanzahl zwischen Karbonator und Kalzinirer zu einer Degeneration des Kalksteins kommt. Die Einteilung erfolgt nach [11]. Die Fraktion X beschreibt den Anteil des aktiven CaO, der bereits zu CaCO3 reagiert ist. Die Fraktion Xb,N beschreibt den Anteil des aktiven CaO bezogen auf das gesamte CaO in Abhängigkeit der Zyklenzahl.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Vorstellung des Hintergrunds zur CO2-Problematik und der spezifischen Zielsetzung zur Modellierung und Validierung des Karbonators.
2 Verfahren zur CO2 - Reduktion: Überblick über gängige Verfahren zur CO2-Abscheidung, wobei der Schwerpunkt auf dem Carbonate Looping liegt.
3 Modellierung der chemischen Reaktion im Reaktor: Beschreibung der theoretischen Grundlagen der Wirbelschicht sowie der Modellansätze von Kunii und Levenspiel zur Reaktionsmodellierung.
4 Simulation: Detaillierte Darstellung der durchgeführten Simulationsrechnungen zur zeitlichen und örtlichen Konzentrationsentwicklung sowie Durchführung einer Parameteranalyse.
5 Validierung: Abgleich der berechneten Simulationsdaten mit den experimentellen Messergebnissen aus der Versuchsanlage der TU Darmstadt.
6 Zusammenfassung und Diskussion: Kritische Reflexion der Modellergebnisse und Diskussion der beobachteten Abweichungen zwischen Simulation und Messung.
7 Ausblick und Optimierungsmöglichkeiten: Identifikation zukünftiger Arbeitsschritte zur weiteren Verfeinerung des Modells, insbesondere hinsichtlich Wärmeverlusten und der Deaktivierung des Kalksteins.
Schlüsselwörter
CO2-Abscheidung, Carbonate Looping, Wirbelschichtreaktor, Kalziumoxid, Karbonator, Reaktionskinetik, SIMULINK, MATLAB, Modellvalidierung, Feststoffpartikel, Konzentrationsverlauf, thermodynamische Bilanz, Abscheidegrad, Stofftransport, Diffusionskoeffizient
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der mathematischen Modellierung und Simulation der chemischen CO2-Einbindung durch Kalziumoxid (CaO) in einem Wirbelschichtreaktor.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Felder umfassen die CO2-Abscheidungstechnologien, die Theorie der Wirbelschicht, die Modellierung chemischer Reaktionen sowie die Validierung dieser Modelle mittels experimenteller Daten.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Abbildung der CO2-Einbindungsreaktion, um vorherzusagen, wie viel CO2 sequestriert werden kann, und die Validierung der Ergebnisse durch Vergleich mit realen Anlagenmessdaten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden existierende Modelle von Kunii und Levenspiel genutzt und in SIMULINK sowie MATLAB abgebildet, ergänzt um thermodynamische Energiebilanzen zur Validierung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Modellbildung der chemischen Reaktion, die Durchführung von Simulationen (zeitabhängig und ortsabhängig) sowie eine umfangreiche Parameterbetrachtung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den Kernbegriffen gehören CO2-Abscheidung, Carbonate Looping, Wirbelschichtmodellierung, Reaktionskinetik, Kalziumoxid und Modellvalidierung.
Warum spielt die Unterscheidung zwischen aktivem und inaktivem CaO eine Rolle?
Mit zunehmender Zyklenanzahl zwischen Karbonator und Kalzinierer degeneriert der Kalkstein. Die Unterscheidung ist wichtig, um die tatsächliche Reaktionsfähigkeit des Materials im Prozess korrekt abzubilden.
Was bedeutet die "Abbruchbedingung" in der MATLAB-Simulation?
Die Abbruchbedingung beendet die Berechnung für eine Schicht, sobald die CO2-Konzentration die Gleichgewichtskonzentration erreicht hat, um Rechenkapazitäten zu sparen, da eine weitere Abscheidung physikalisch nicht möglich ist.
- Quote paper
- Sergej Kosmalla (Author), 2011, Modellierung eines Wirbelschichtreaktors in einer Versuchsanlage zur CO2 - Abscheidung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1196248
