Auslegung von Adsorptions­anlagen

Im Forschungsprojekt MoGaTEx untersuchen wir die modellgestützte Auslegung von Adsorptionsanlagen für die Gastrennung auf Basis kleinskaliger Experimente.

Franz Lanzerath

Franz Lanzerath

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December 25, 2021

Wikimedia Commons / Bdcook (CC BY-SA 4.0)

Wikimedia Commons / Bdcook (CC BY-SA 4.0)

Simulation von Adsorptionsanlagen

Die rigorose Auslegung von Adsorptionsanlagen für die Gasreinigung ist eine sehr komplexe Aufgabe. Neben benötigten Adsorptionsisothermen sind insbesondere Informationen über die Adsorptionskinetik von Gasgemischen nur aufwendig zu ermitteln. Darüber hinaus stehen für die Nutzung dieser Daten für die Auslegung von Adsorptionsanlagen keine spezialisierten Software-Tools zur Verfügung. 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 Adsorptionsanlagen 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 Adsorptionsanlagen 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.

Schema einer Pressure Swing Adsorptionsanlage
Schema einer Pressure Swing Adsorptionsanlage

Energieeinsparung durch modellgestützte Auslegung

Durch die reduzierten Sicherheitsaufschläge lassen sich im Betrieb über die gesamte Lebensdauer der Adsorptionsanlage 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.

Forschungspartner

Bei dem Forschungsprojekt MoGaTEx handelt es sich um ein Verbundprojekt von drei Forschungspartnern.

Unser Projektpartner 3P Instruments verantwortet die kleinskaligen Adsorptionsexperimente und die Bestimmung der Kinetik-Koeffizienten. Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der RWTH Aachen übernimmt als wissenschaftlicher Partner die Entwicklung der erforderlichen Modelle und Methoden. Wir als TLK Energy sind für die Entwicklung von Software-Tools für die Auslegung und Optimierung von Adsorptionsanlagen zuständig.

Zudem wird das Projekt von drei assoziierten Partnern aus der Industrie begleitet, um eine anwendungsnahe Entwicklung sicherzustellen:  

  • Sysadvance - Standard and Turnkey Solutions for Gas Purification

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) durch die Fördermaßnahme „KMU-innovativ: Ressourceneffizienz und Klimaschutz“ gefördert.  

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Franz Lanzerath

Dr.-Ing.

Franz Lanzerath

Managing Director

TLK Energy

Dr.-Ing. Franz Lanzerath hat am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der RWTH Aachen promoviert. Seit 2007 beschäftigt er sich intensiv mit der modellgestützten Entwicklung thermischer Systeme. Hierbei ist einer seiner Schwerpunkte die Schnittstelle zwischen Modell und Experiment, also die Modell-Kalibrierung und Validierung. Bei der TLK Energy ist er u.a. für den Transfer neuester wissenschaftlicher Methoden und Erkenntnisse in die industrielle Praxis verantwortlich.

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