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
- 8 Quellenverzeichnis
- 9 Anhang
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Studienarbeit befasst sich mit der Modellierung eines Wirbelschichtreaktors für die CO2-Abscheidung. Ziel ist es, ein mathematisches Modell zu entwickeln und zu validieren, das das Verhalten des Reaktors unter verschiedenen Betriebsbedingungen beschreibt. Die Arbeit konzentriert sich auf die Simulation der chemischen Reaktionen und die Analyse der Einflussfaktoren auf die Effizienz des CO2-Abscheidungsprozesses.
- Modellierung eines Wirbelschichtreaktors
- Simulation der chemischen Reaktionen (CaO/CaCO3)
- Analyse der Einflussfaktoren auf die CO2-Abscheidung
- Validierung des Modells anhand von experimentellen Daten
- Bewertung von Optimierungsmöglichkeiten
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Dieses Kapitel führt in die Thematik der CO2-Abscheidung ein und beschreibt den Hintergrund der Arbeit sowie die Zielsetzung der Modellierung des Wirbelschichtreaktors. Es werden die Notwendigkeit der CO2-Reduktion und die Bedeutung der Modellierung für die Optimierung des Prozesses hervorgehoben.
2 Verfahren zur CO2 - Reduktion: Hier werden verschiedene Verfahren zur CO2-Reduktion vorgestellt, darunter Chemical Looping, Oxyfuel-Prozesse, CO2-Wäsche und Carbonate Looping. Die jeweiligen Vor- und Nachteile der Verfahren werden erläutert, um den Kontext des gewählten Carbonate Looping Verfahrens im Wirbelschichtreaktor zu verdeutlichen und die Relevanz der Modellierung im Hinblick auf Effizienzsteigerung zu unterstreichen.
3 Modellierung der chemischen Reaktion im Reaktor: Dieses Kapitel legt die theoretischen Grundlagen für die Modellierung des Wirbelschichtreaktors dar. Es werden die Grundlagen der Wirbelschichttechnologie und der Modellbildung erläutert, einschließlich der Unterscheidung zwischen aktivem und inaktivem Inventar und der detaillierten Beschreibung des verwendeten Kunii-Levenspiel-Modells. Die Bedeutung der Modellierungsparameter für die Genauigkeit der Simulation wird betont.
4 Simulation: In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Simulation des Wirbelschichtreaktors präsentiert. Die Zeit- und Ortsabhängigkeit der chemischen Reaktionen werden analysiert, einschließlich der Konzentrationsverläufe in der dichten und dünnen Phase, der Kontakteffizienz, der Diffusionsgeschwindigkeit, der kinetischen und Gesamtreaktionsrate sowie der Umwandlung von CaO zu CaCO3. Der Einfluss verschiedener Parameter wie der Höhe der dichten Phase, der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur wird untersucht.
5 Validierung: Dieses Kapitel beschreibt den Prozess der Validierung des entwickelten Modells. Die Definition der Messstellen und die Vergleichbarkeit der Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten werden detailliert erläutert. Die Übereinstimmung zwischen Modell und Realität wird bewertet und mögliche Abweichungen diskutiert.
Schlüsselwörter
Wirbelschichtreaktor, CO2-Abscheidung, Carbonate Looping, Modellierung, Simulation, Kunii-Levenspiel-Modell, Reaktionskinetik, CaO, CaCO2, Validierung, Parameteranalyse, Effizienz.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Studienarbeit: Modellierung eines Wirbelschichtreaktors für die CO2-Abscheidung
Was ist das Thema der Studienarbeit?
Die Studienarbeit befasst sich mit der Modellierung und Simulation eines Wirbelschichtreaktors zur CO2-Abscheidung mittels Carbonate Looping. Ziel ist die Entwicklung und Validierung eines mathematischen Modells, welches das Reaktorverhalten unter verschiedenen Bedingungen beschreibt und die Effizienz des Prozesses analysiert.
Welche Verfahren zur CO2-Reduktion werden behandelt?
Die Arbeit behandelt verschiedene Verfahren zur CO2-Reduktion, darunter Chemical Looping, Oxyfuel-Prozesse, CO2-Wäsche und das im Fokus stehende Carbonate Looping. Die Vor- und Nachteile dieser Verfahren werden im Kontext der Modellierung im Wirbelschichtreaktor erläutert.
Welches Modell wird verwendet?
Die Modellierung basiert auf dem Kunii-Levenspiel-Modell für Wirbelschichtreaktoren. Das Modell berücksichtigt die Unterscheidung zwischen aktivem und inaktivem Inventar und beschreibt die chemischen Reaktionen (CaO/CaCO3) im Reaktor.
Was wird in der Simulation untersucht?
Die Simulation analysiert die zeitliche und örtliche Abhängigkeit der chemischen Reaktionen. Untersucht werden Konzentrationsverläufe, Kontakteffizienz, Diffusionsgeschwindigkeit, Reaktionsraten und der Einfluss von Parametern wie der Höhe der dichten Phase, Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur auf die Umwandlung von CaO zu CaCO3.
Wie wird das Modell validiert?
Die Validierung erfolgt durch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten. Dazu werden definierte Messstellen festgelegt und die Übereinstimmung zwischen Modell und Realität bewertet. Mögliche Abweichungen werden diskutiert.
Welche Einflussfaktoren auf die CO2-Abscheidung werden betrachtet?
Die Arbeit analysiert den Einfluss verschiedener Parameter auf die Effizienz der CO2-Abscheidung. Dazu gehören die Höhe der dichten Phase, die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur im Reaktor. Die Ergebnisse helfen, Optimierungspotenziale aufzuzeigen.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?
Schlüsselwörter sind: Wirbelschichtreaktor, CO2-Abscheidung, Carbonate Looping, Modellierung, Simulation, Kunii-Levenspiel-Modell, Reaktionskinetik, CaO, CaCO3, Validierung, Parameteranalyse, Effizienz.
Welche Kapitel enthält die Arbeit?
Die Arbeit gliedert sich in eine Einleitung, Kapitel zu den Verfahren der CO2-Reduktion, zur Modellierung der chemischen Reaktion, zur Simulation, zur Validierung des Modells, eine Zusammenfassung und Diskussion, einen Ausblick, ein Quellenverzeichnis und einen Anhang. Ein detailliertes Inhaltsverzeichnis ist im Dokument enthalten.
Welche Zielsetzung verfolgt die Arbeit?
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und Validierung eines mathematischen Modells zur Beschreibung des Verhaltens eines Wirbelschichtreaktors für die CO2-Abscheidung. Die Arbeit soll zum Verständnis und zur Optimierung des Prozesses beitragen.
- Arbeit zitieren
- Sergej Kosmalla (Autor:in), 2011, Modellierung eines Wirbelschichtreaktors in einer Versuchsanlage zur CO2 - Abscheidung, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/1196248
