Untersuchungen zum Einsatz alternativer

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1 Prozesswissenschaften Untersuchungen zum Einsatz alternativer Waschmedien für die Rückgewinnung aromatischer Kohlenwasserstoffe aus Kokereigasen vorgelegt von Diplom Ingenieur Diethmar Richter aus Bremen von der Fakultät III der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften Dr.Ing. genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzende: Prof. Dr. rer. nat. Sabine Enders Berichten Prof. Dr.Ing. habil. Günter Wozny Berichten Prof. Dr.Ing. habil. Andrzej Gorak Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 23. August 2010 Berlin 2010 D83

2 0 Einleitung 1 1 Grundlagen der Kohlenwertstoffrückgewinnung Wirtschaftliche Entwicklung des Kokereiprozesses Rahmenbedingungen von Kokereibetrieben Die Bedeutung der Koksproduktion Aufbereitung von Koksofengas Einflüsse auf die Rohgaszusammensetzung Der Einfiuss der Kohleeigenschaften auf den.. Rohbenzolgehalt Einfiuss der Verkokungsbedingungen auf den... Benzolgehalt Neue Erkenntnisse bezüglich der Rohgaszusammensetzung Grundlagen von Absorption und Desorption Allgemeine Prozessgestaltung Beschreibung von Absorption und Desorption Eingesetzte Kolonnentypen Bodenkolonnen Packungskolonnen Thermodynamische Grundlagen Beschreibung des Phasengleichgewichtsverhaltens Ansatz für die Berechnung der Aktivitätskoeffizienten nach dem UNIFAC Modell Formulierung des UNIFAC Ansatzes Parametrierung des UNIFAC Ansatzes 27 3 Thermodynamische Eigenschaften der untersuchten Waschmedien Allgemeine Anforderungen an Lösungsmittel Alternative Waschmittel für die Rückgewinnung aromatischer Kohlenwasserstoffe aus Kokereigasen Untersuchungen zum Einsatz verschiedener Waschmittel Absorptionsvermögen alternativer Waschmittel Siedeverhalten komplexer Waschmittel Thermodynamische Stoffeigenschaften Zusammensetzung der untersuchten Waschmittel Charakterisierung von Steinkohlenteeröl Zusammensetzung von industriellem Rohbenzol 42

3 Darstellung des Multikornponentengemischs Steinkohlenteeröl mittels repräsentativer Komponenten Charakterisierung von Biodiesel Mittleres Molekulargewicht Berechnung der Dampfdrücke Bestimmung der Dichte Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität Bestimmung der dynamischen Viskosität Bestimmung weiterer Stoffeigenschaften Oberflächenspannung Diffusionskoeffizienten Gasseitige Diffusionskoeffizienten in Multikomponentensystemen Beschreibung der Diffusion in der flüssigen Phase Phasengleichgewichtsverhalten der untersuchten Waschmedien Bestimmung von Aktivitätskoeffizienten bei unendlicher Verdünnung VLE Messprinzip Ergebnisse der Messreihen Löslichkeit überkritischer Komponenten Messprinzip für die Bestimmung der Gaslöslichkeit Übersicht der Messergebnisse 63 4 Modellierung von Absorption und Desorption Gleichgewichtsmodellierung Stationäre Bilanzierung der Gleichgewichtsstufe Modellerweiterung für Berücksichtigung der Dreiphasigkeit Dynamische Bilanzierung der Trennstufe Ansatz der Gleichgewichtsbetrachtung für strukturierte Packungen Modellierung der Stoffaustauschvorgänge Formulierung des allgemeinen Stoffaustauschansatzes Modifizierter Ansatz zur Bilanzierung der Stoff und Wärmeaustauschvorgänge Berechnung der Stoffaustauschvorgänge Stoffaustauschkorrelationen Auflösung des Gleichungssystems Verbesserung des Konvergenzverhaltens Übersicht zum Einsatz der Modellansätze 88 5 Anlagenkonzepte für die Modellvalidierung Eingesetzte Analysenmethoden Ermittlung der Gaskonzentration im Absorptionsbetrieb Gaschromatographische Analysen und Auswertung Aufbau der Technikumsanlagen Anlagenkonzepte für die Untersuchung der Absorption Aufbau der Absorptionsanlage Betriebsbedingungen der Absorption Anlagenkonzepte für die Untersuchung des Desorptionsverhaltens Aufbau der Desorptionsanlagen 99 ii

4 Betriebsbedingungen der Desorption Modellvalidierung Validierung der Modelle zur Beschreibung des Absorptionsverhaltens Eignung der betrachteten Stoffaustauschkorrelationen zur Beschreibung des Absorptionsverhaltens Anwendbarkeit von Gleichgewichtsmodellen für die Simulation der Absorption Validierung des Ansatzes von Billet & Schultes für die untersuchten Wasch mittel Validierung der Konzentrationsmessung Validierung des Desorptionsverhaltens Validierung des Abtriebverhaltens Betrachtung der Rohbenzolaufbereitung Modell vergleich zu industriellen Messdaten Untersuchungen des Einflusses von Prozessparametern auf das Trennverhal ten Untersuchung der Absorption Betrachtung möglicher Einflüsse auf den Absorptionsprozess Vergleich des Löslichkeitsvermögens der untersuchten Waschmittel Einfluss von Packungsstrukturen auf die Absorption Untersuchungen zur Desorption Desorption in Bodenkolonnen Desorption in strukturierten Packungen Einfluss der Prozessparameter auf das Abtriebsverhalten Abtriebsverhalten der untersuchten Komponenten Betrachtung der Einflüsse auf die Rohbenzolqualität Zusammenfassung der Ergebnisse Betrachtung der Wirtschaftlichkeit Einfluss der Prozessanforderung auf die Wirtschaftlichkeit Einfluss von Preisschwankungen auf den Nettogewinn Zusammenfassung und Ausblick 147 Anhang 149 A Thermodynamik 149 A.l Kalorische und kritische Daten aromatischer Kohlenwasserstoffe 149 A.2 Parametrierung der UNIFACAnsätze 150 A. 3 Thermodynamische Stoffeigenschaften 154 A.3.1 Parameter für Berechnung der Henrykoeffizienten 154 A. 3.2 Übersicht der Messreihen für die Berechnung der Aktivitätskoeffizienten B Modellbildung 159 B. l Korrelationen zur Berechnung der effektiven Phasengrenzfläche 159 B. l.l Strukturierten Packungen 159 B.l.2 Packungsparameter 160 iii

5 B.1.3 Kolonnenböden 161 B.2 Aufstellung der Jakobimatrizen 164 C Messreihen im Technikumsmaßstab 165 D Wirtschaftlichkeit 171 Literatur 175 iv