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Neues Forschungsprojekt: Modellgestützte Auslegung von Adsorptionskolonnen für die Gas-Trennung auf Basis kleinskaliger Experimente
Kürzlich startete unter Beteiligung von 3P Instruments das Projekt mit dem Kurztitel „MoGaTEx“. Es wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und läuft vom 01.07.2020 bis 30.06.2023. Worum es genau in dem Forschungsvorhaben geht, stellen wir im Folgenden gerne vor:
Die rigorose Auslegung von Adsorptionskolonnen für die Gastrennung ist eine sehr komplexe Aufgabe. Neben benötigten Adsorptions-Gleichgewichtsstoffdaten sind insbesondere Informationen über die Adsorptionskinetik von Gasgemischen nur aufwendig zu ermitteln. Darüber hinaus stehen für die Nutzung dieser Daten für die Kolonnenauslegung keine spezialisierten Software-Tools zur Verfügung.
Eine industrielle Adsorptionskolonne
Daher wird bisher auf allgemeine Simulations-Tools zurückgegriffen, die komplex in der Handhabung sind und für die eigens Modellbibliotheken entwickelt werden müssen. Dies führt dazu, dass die rigorose, simulationsgestützte Auslegung und Optimierung sehr zeit- und kostenintensiv sind, und nur für sehr große Anlagen von Firmen mit vorhandenem Simulations-Knowhow durchgeführt werden. Für die Mehrzahl aller Adsorptionskolonnen werden zur Auslegung hingegen Short-Cut-Methoden mit hohen Sicherheitsaufschlägen verwendet, die zu einer Überdimensionierung der Anlagen und zu einem erhöhten Energieverbrauch im Betrieb führen.
An diesem Punkt setzt das Projekt MoGaTEx an: Ziel ist die Entwicklung einer durchgängigen Werkzeugkette zur rigorosen Auslegung und Optimierung von Adsorptionskolonnen auch ohne umfassendes Simulations-Knowhow des Anlagenbauers. Dennoch fließen sowohl die Adsorptionskinetik als auch dynamische Anlagensimulation in die Auslegung mit ein. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen würden davon profitieren, wenn die finanziellen und technischen Hürden für die modellgestützte Auslegung gesenkt werden.
Durch die reduzierten Sicherheitsaufschläge lassen sich im Betrieb über die gesamte Lebensdauer der Kolonne schätzungsweise 15 % des Energiebedarfs einsparen. Unter Voraussetzung eines 24 h Betriebs, 300 Tage pro Jahr, lässt sich die potenzielle weltweite jährliche Energieeinsparung für bestehende Anlagen allein deutscher Hersteller grob auf 2,7 TWh abschätzen. Darüber hinaus ergeben sich ähnliche Einsparpotenziale für Neuanlagen, da sich deren Energiebedarf mit der gleichen Werkzeugkette optimieren lässt. Bei neuen Anlagen kann darüber hinaus auch der Investitionsaufwand durch die vermiedene Überdimensionierung verringert werden.
Mit dem Praxisbeispiel „Direct Air Capture“ zur Demonstration der Werkzeugkette wird zudem eine Technologie beleuchtet, die einen immensen Einfluss auf die CO2-Bilanz haben kann. Mit Hilfe von „Direct Air Capture“-Technologien kann CO2 aus der Umgebung entfernt und so der globalen Erwärmung entgegengewirkt werden.
Schema eines industriellen Adsorptionsprozesses
Die Rollen und Aufgaben der Projektpartner sind konkret:
- TLK Energy GmbH: Projektleitung; Anwendungsszenarien und Workflowdefinition, Anforderungsdefinition; zuständig für die Entwicklung eines Software-Tools zur Auslegung und Optimierung von Adsorptionskolonnen
- Lehrstuhl für Technische Thermodynamik, RWTH Aachen: Forschungspartner, spezialisiert auf modellbasierte Entwicklungen von Adsorptionssystemen; zuständig für die Entwicklung der erforderlichen Modelle und Methoden für das Scale-up vom Labor zum Anlagenmaßstab
- 3P Instruments GmbH & Co. KG: Industriepartner; Produzent und Vertrieb für Messanalytik; zuständig für kleinskalige Adsorptionsexperimente und die modellgestützte Bestimmung der Kinetik-Koeffizienten
Wir freuen uns, Teil dieses Forschungsvorhabens zu sein und hoffen auf eine gute Zusammenarbeit mit den Projektpartnern!
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