Modellierung einer Dreiphasen-Methanisierung unter Berücksichtigung des Strömungsregimes

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1 DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) Modellierung einer Dreiphasen-Methanisierung unter Berücksichtigung des Strömungsregimes Manuel Götz Fließschemasimulationen in der Energietechnik Leipzig

2 Einleitung Grundlagen Methanisierung: 3 H 2 + CO CH 4 + H 2 O Δ R H = -206 kj/mol 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O Δ R H = -165 kj/mol Methanisierung ist stark exotherm Stand der Technik: Reihenschaltung adiabater Festbettrektoren mit Recycle-Strömen Problem: hohes spezifisches Investment, bei allem bei kleinen Anlagen Power-to-Gas Prozesskette (Projekt SEE) O 2 el. Energie dynamisch H 2 Elektrolyse dynamisch PEM H 2 O CO 2 -Quelle Biogasanlage, Vergasung, Chemieanlage etc. H 2 -Speicher (optional) CO 2 (CO) Methanisierung - in ionischen Fl. oder im - Horden-Reaktor Brennwertanpassung Fischer-Tropsch- Synthese therm. Energie CH 4 H 2 C 2 H 6, C 3 H 8, C 4 H 10 therm. Energie dynamisch oder stationär Erdgasnetz Besondere Anforderungen an die Methanisierung bei PtG: CO 2 ist meist Kohlenstoff-Quelle (CO 2 -Methanisierung ist langsamer) Dynamischer Betrieb der Methanisierung

3 Einleitung Prinzip Dreiphasen-Methanisierung Katalysator (< 100 µm) wird in Flüssigkeit suspendiert und (indirekt) durch Gas fluidisiert Druck: 20 bar; Temperatur: C Vorteile Hohe Wärmekapazität und guter Wärmeübergang dank Flüssigkeit Temperaturkontrolle vereinfacht Isothermie des Reaktors Nur 1 Reaktor notwendig Flexibel bei dynamischem Betrieb Nachteile Dreiphasen-System Temperaturstabilität/ Dampfdruck der Flüssigkeit Stofftransportlimitierung Forschungsgebiete

4 Grundlagen Stofftransportschritte r Blase Blase c i,g 1 δ G c 2 c i,l L-Bulk Poröser Katalysator 3 c 4 δ L/G δ L/S r Kat 1. Bulk G G/L Grenzfläche 2. G/L Grenzfläche Bulk L 3. Bulk L L/S Grenzfläche 4. Porendiffusion und Reaktion x Schritt 2: Für Optimiertung des Systems muss Schritt 2 beschleunigt werden Für Modellierung muss er gut beschrieben werden k L a Volumet. Stofftransportkoeffizient muss berechnet werden p ig Rückvermischung der Gasphase muss bekannt sein c il Rückvermischung der Flüssigphase muss bekannt sein

5 Grundlagen Strömungsregime Strömungsregime in einem Blasensäulenreaktor (für niedrigviskose Flüssigkeiten) Quelle: Deckwer k L k L a a Definitionen 3 Strömungsregime im Blasensäulen-Reaktor möglich Homogenes und heterogenes Regime mit Vor- und Nachteilen Kolbenblasenströmung muss vermieden werden Strömungsregime hat großen Einfluss auf k L a und Rückvermischung

6 Flüssigphase Modellierung Rückvermischung Aufgrund unterschiedlicher Strömungsvorgänge im homogenen und heterogenen Regime eventuell unterschiedliche Modelle sinnvoll/notwendig? Mögliche Rückvermischungen Gasphase CSTR ZM PFR homogen heterogen CSTR He Ho/He Ho ZM X Ho/He Ho PFR X X X Flüssigphase praktisch immer zu einem gewissen Grad rückvermischt (L PFR) Gasphase nur im homogenen Regime als PFR Gasphase ist in der Regel nicht stärker rückvermischt als die Flüssigphase

7 Modellierung Zellenmodell Zellenmodell (homogenes Regime) Bilanz Gasphase (PFR) Bilanz Flüssigphase für N = 1 (CSTR) Bilanz Katalysators Ziel Zellenmodell: Beschreibung der Rückvermischung in G- und L-Phase Reaktor (L-Phase) wird in N gleich große Zellen aufgeteilt Eine Zelle ist vollständig rückvermischt, für N keine Rückvermischung

8 Modellierung Zellenmodell Zellenmodell (homogenes Regime) Ziel Zellenmodell: Beschreibung der Rückvermischung in G- und L-Phase Reaktor (L-Phase) wird in N gleich große Zellen aufgeteilt Eine Zelle ist vollständig rückvermischt, für N keine Rückvermischung

9 Modellierung Graphische Oberfläche 1. Stoffdaten 2. Stoffwerte und Kennzahlen 3. Blasengröße und rel. Gasgehalt 4. Stofftransport GL und LS 5. Reaktion

10 Hydrodynamik-Ergebnisse Strömungsregime und Blasengröße Homogenes Blasenregime Homogenes Blasenregime Heterogenes Blasenregime Kolbenblasenströmung u G = 0,6 cm/s u G = 1,0 cm/s u G = 1,5 cm/s u G > 2,0 cm/s d Blase = 1,0 mm d Blase = 1,1 mm d Blase = 2,8 mm d Blase = 8,4 mm Flüssigkeit: Polydimethylsiloxan (X-BF), d R = 2,5 cm, Gas: N 2, T = 250 C, p = 1 bar u G beeinflusst Blasengröße im homogenen Regime kaum Rel. Gasgehalt ε G muss zunehmen Ein Regimewechsel erhöht Blasengröße deutlich u G = 1-2 cm/s führt zur größten Phasengrenzfläche a

11 Hydrodynamik-Ergebnisse Strömungsregime und Blasengröße Homogenes Blasenregime u G = 0,6 cm/s d Blase = 1,0 mm Homogenes Blasenregime u G = 1,0 cm/s d Blase = 1,1 mm Kolbenblasen u G beeinflusst Blasengröße im homogenen Regime kaum Rel. Gasgehalt ε G muss zunehmen Heterogenes Blasenregime u G = 1,5 cm/s d Blase = 2,8 mm Flüssigkeit: Polydimethylsiloxan (X-BF), d R = 2,5 cm, Gas: N 2, T = 250 C, p = 1 bar Quelle: Deckwer homogen Ein Regimewechsel erhöht Blasengröße deutlich u G = 1-2 cm/s führt zur größten Phasengrenzfläche a Kolbenblasenströmung u G > 2,0 cm/s d Blase = 8,4 mm Regimewechsel bei deutlich kleineren Gasgeschwindigkeiten!

12 Hydrodynamik-Ergebnisse Korrelationen vs. Messungen 2 Korrelationen passen anfangs gut, dann starke Abweichungen Regimewechsel in Korrelationen zu früh Feststoffeinfluss von Behkish qualitativ richtig, aber auch hier Abweichungen zu Versuchsergebnissen Definition

13 Methanisierungs-Ergebnisse Korrelationen vs. Messungen Bedingungen Flüssigkeit DBT d R im mm 55 p in bar 5 y H2 / y CO / y inert 4 / 1 / 1 d Kat in µm c S in Vol.-% 3,5 Modellergebnisse in selber Größenordnung wie Messungen, aber merkliche Abweichungen vorhanden Mögliche Gründe: Kinetik in der G-Phase bestimmt, Korrelationen für ε G und k L a Einfluss der Rückvermischung für 226 C vernachlässigbar Änderung des Umsatzes bei Regimewechsel in der Praxis stärker als im Modell

14 Zusammenfassung Dreiphasen-Methanisierung ist vielversprechende Alternative als Methanisierungsverfahren für Power-to-Gas-Anlagen Modell zur Beschreibung der Dreiphasen-Methanisierung aufgestellt Schwierigkeit: Viele Einflussfaktoren auf Umsatz (Hydrodynamik, Kinetik, Rückvermischung) Versuche im Glasreaktor zeigen, dass Strömungsregime-Wechsel bei kleineren u G auftreten als erwartet Limitiert maximale Gasgeschwindigkeit u G Korrelationen zum rel. Gasgehalt weichen von Versuchen ab Eigene Korrelation muss entwickelt werden Reaktormodell kann ohne Anpassung Größenordnung der Umsätze vorhersagen, aber noch merkliche Abweichungen vorhanden

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit