Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein Versuchsreaktor zur Untersuchung von Gas- Feststoffreaktion entwickelt. Hierzu erfolgt zunächst eine Dimensionierung des Reaktors als Hauptkomponente der Versuchsanlage. Ein weiterer Arbeitsschritt besteht darin die nötige Energie für den Prozess bereit zu stellen. Die Bereitstellung der Energie soll auf indirektem Wege beispielsweise durch elektrische Heizschalen oder durch Heatpipes erfolgen. Um die zugeführte Energie wieder abführen zu können muss eine Kühlung dimensioniert werden und eine Abgasreinigung in die Anlage integriert werden.
Um die Anlage betreiben zu können müssen weiterhin Dosiereinrichtungen für die Gasvolumenströme, die sowohl manuell als auch automatisch bedient werden, ausgewählt werden. Zur Messung von Betriebsparametern wie Druck und Temperatur und den daraus nötigen Regeleingriffen müssen geeignete Messwertaufnehmer ausgewählt werden und mit einer Leittechnik verbunden werden. Gas- Feststoffreaktionen sind in der Technik an einigen Stellen zu finden. Zu Gas- Feststoffreaktionen kommt es beispielsweise in Wirbelschichten, in denen Braunkohle mit Hilfe von Dampf getrocknet wird, um das Wasser aus der Braunkohle vor der Verbrennung zu entfernen und somit eine höhere Nutzung des Brennstoffs zu gewährleisten, da die Verdampfungsenthalpie nicht während der Verbrennung aufgebracht werden muss.
Des Weiteren werden Gas- Feststoffreaktionen zur Reinigung von Rauchgasen in Kraftwerken benutzt. Die Entschwefelung und auch die Abscheidung von CO2 aus Rauchgasen kann mit Hilfe von Gas- Feststoffreaktionen durchgeführt werden. Im Falle der CO2 – Abscheidung wird das CO2 im Karbonator in Kalziumoxid eingebunden um anschließend im Kalzinierer wieder aus dem Kalziumkarbonat abgetrennt zu werden und um nach einer Verdichtung gespeichert zu werden. Auf diesen Prozess wird im Rahmen dieser Diplomarbeit noch näher eingegangen, da dieser Auslegungsgrundlage der Versuchsanlage ist.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Hintergrund der Arbeit
1.2 Zielsetzung dieser Arbeit
2 Theoretische Grundlagen von Gas- Feststoffreaktionen
2.1 Klassifizierung von Partikeln nach Geldart
2.2 Einteilung nach Strömungszuständen
2.3 Druckverlust in Wirbelschichten
3 Auslegung des Batchreaktors
3.1 Dimensionierung des Düsenbodens
3.2 Dimensionierung des Reaktors
3.3 Dimensionierung der Heizung
3.4 Dimensionierung der Isolierung
3.5 Dimensionierung der Kühlung
4 Konstruktion des Batchreaktors
4.1 Rohr- und Instrumentenplan
4.2 Definition der Messstellen
4.2.1 Messung der Temperatur
4.2.2 Messung des Drucks
4.2.3 Messung der Volumenströme
4.3 Verwendete Komponenten
4.4 Planung des Gestells
4.5 Planung der Leitungen
4.6 Planung der Armaturen
4.7 Planung des Filters
5 Steuerung und Regelung der Anlage
5.1 Regelung der Parameter
5.2 Schutzfunktionen
6 Zusammenfassung
7 Ausblick und Optimierungsmöglichkeiten
Zielsetzung und Themen
Die Diplomarbeit hat das Ziel, einen Versuchsreaktor zur Untersuchung von Gas-Feststoffreaktionen zu entwickeln. Hierbei stehen die dimensionstechnische Auslegung der Hauptkomponenten (Reaktor, Heizung, Kühlung) sowie die methodische Planung der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik im Fokus, um einen sicheren und kontrollierten Betrieb der Anlage zu gewährleisten.
- Dimensionierung und konstruktive Auslegung eines Batchreaktors für Gas-Feststoffsysteme.
- Berechnung und Implementierung von Heiz- und Kühlsystemen zur Prozessführung.
- Definition von Messstellen und Auswahl geeigneter Instrumentierung für Druck, Temperatur und Volumenströme.
- Entwicklung von Schutzfunktionen und Regelungsstrategien zur Prozessstabilisierung und Anlagensicherheit.
- Konstruktive Planung der Anlagentechnik inklusive Gestell, Rohrleitungen und Abgasfiltration.
Auszug aus dem Buch
3.1 Dimensionierung des Düsenbodens
Dieses Unterkapitel beschreibt die Auslegung des Düsenbodens. Der Düsenboden hat zwei Aufgaben, zum einen soll mit Hilfe des Düsenbodens die gleichmäßige Fluidisierung des Materials im Reaktor gewährleistet werden, und zum anderen soll verhindert werden, dass Material aus dem Reaktor zurück in den Vorwärmer gelangen kann. Der Düsenboden verursacht einen Druckverlust. Ist dieser Druckabfall ausreichend groß wird ein Materialdurchfall verhindert. Gesucht für die Konstruktion wird der Durchmesser der Bohrung. Dieser Bohrungsdurchmesser ist abhängig von der Anzahl der Löcher und dem Volumenstrom des Gases. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit gilt die Formel [9]:
u = Wurzel(2 * delta p / (zeta * rho)) (1)
Wobei zeta = 1 den Verlustbeiwert angibt, delta p den Druckverlust und rho die Dichte des Gases im Betrieb angibt. Der Druckverlust delta p wird als Berechnungsgröße vorgegeben. Dieser soll hier delta p = 50 mbar betragen. Die Fläche A der Bohrung ergibt sich aus der Division des Betriebsvolumenstroms durch die in Formel (1) bestimmte Geschwindigkeit. Um eine gleichmäßige Verteilung des Gasstroms im Reaktor zu erreichen wird die Anzahl der Löcher auf drei festgelegt. Somit ergibt sich aus einer erneuten Division der Gesamtfläche A durch die Lochanzahl die Fläche Aeinzel der einzelnen Bohrung. Der Durchmesser der einzelnen Bohrung ergibt sich anhand der Formel:
d = Wurzel(4 * Aeinzel / pi) (2)
Mit drei Löchern im Düsenboden ergibt sich für die Bohrungen ein Durchmesser von d = 2mm. Somit erfährt der Gasstrom über den Düsenboden den geforderten Druckverlust von delta p = 50 mbar.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt den Hintergrund der Arbeit sowie die Zielsetzung hinsichtlich der Entwicklung eines Versuchsreaktors für Gas-Feststoffreaktionen.
2 Theoretische Grundlagen von Gas- Feststoffreaktionen: Erläutert die Klassifizierung von Partikeln, die Strömungszustände in Reaktoren sowie die Grundlagen des Druckverlustes in Wirbelschichten.
3 Auslegung des Batchreaktors: Behandelt die mathematische Dimensionierung des Düsenbodens, des Reaktors sowie der Heiz-, Isolier- und Kühlsysteme.
4 Konstruktion des Batchreaktors: Beschreibt die konkrete konstruktive Planung der Anlage, inklusive Instrumentenplanung, Messstellendefinition und Komponentenauswahl.
5 Steuerung und Regelung der Anlage: Erläutert die Konzepte zur Regelung der Betriebsparameter sowie die implementierten Schutzfunktionen.
6 Zusammenfassung: Fasst die geleistete konstruktive Arbeit an der Versuchsanlage zusammen.
7 Ausblick und Optimierungsmöglichkeiten: Diskutiert nächste Schritte zur Inbetriebnahme sowie Potenziale zur Weiterentwicklung hin zu einem kontinuierlichen Betrieb.
Schlüsselwörter
Batchreaktor, Gas-Feststoffreaktion, Wirbelschicht, Fluidisierung, Dimensionierung, Wärmeübertragung, Prozesstechnik, Instrumentierung, Druckverlust, Prozesssteuerung, Anlagendesign, Versuchsanlage, Messwertaufnehmer, Kalzinierung, Karbonisierung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Es geht um die Entwicklung und Konstruktion eines Batchreaktors, der speziell für die Untersuchung von Gas-Feststoffreaktionen im Labormaßstab konzipiert wurde.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Arbeit umfasst theoretische Grundlagen der Fluidisierung, die mathematische Dimensionierung von Reaktorkomponenten, die mechanische Konstruktion der Anlage sowie die Planung der Steuerungs- und Sicherheitstechnik.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die vollständige technische Auslegung und Planung eines funktionsfähigen Versuchsreaktors, der die notwendigen Bedingungen für chemische Prozesse wie Karbonisierung und Kalzinierung bereitstellt.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden klassische ingenieurwissenschaftliche Auslegungsmethoden (unter anderem nach Kunii und Levenspiel sowie dem VDI-Wärmeatlas) genutzt, um Reaktor- und Anlagenparameter rechnerisch zu bestimmen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Fundierung, die detaillierte rechnerische Dimensionierung aller relevanten Anlagenteile sowie die konstruktive Umsetzung inklusive Rohr- und Instrumentenplanung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Batchreaktor, Wirbelschicht, Fluidisierung, Wärmeübertragung, Dimensionierung sowie Prozesstechnik und Anlagensicherheit.
Warum wurde ein Druckschalter vor der Heizung integriert?
Der Druckschalter dient als Schutzfunktion gegen Überhitzung. Er gibt die Heizung erst frei, wenn ein ausreichender Betriebsdruck gemessen wird, um sicherzustellen, dass die erhitzte Luft abgeführt wird und das Rohr nicht überhitzt.
Wie wird der Rückstrom von Material aus dem Reaktor in den Vorwärmer verhindert?
Dies wird konstruktiv durch einen speziellen Düsenboden gelöst, bei dem die Bohrungen im 30-Grad-Winkel gegeneinander gedreht angeordnet sind, was das Durchfallen von Feststoffpartikeln blockiert.
Welche Bedeutung haben die KKS-Nummern?
Die Kraftwerk-Kennzeichen-System-Nummern sorgen für eine eindeutige Identifizierung aller Schalter, Ventile und Messwertaufnehmer, was die Analyse von Messwerten in der Steuerungssoftware erheblich erleichtert.
- Citation du texte
- Sergej Kosmalla (Auteur), 2011, Design eines Batchreaktors zur Untersuchung von Gas-Feststoffreaktionen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1196254
