6.4 Ergebnisse und Validierung der Prozesssimulation

6.4.6 Zusammenfassung

Zusammenfassend kann in Bezug auf die in Abschn. 6.1 definierten Ziele festgehalten wer- den, dass die Prozesssimulation das Verhalten der Technikumsanlage für die konvergier- ten Betriebspunkte mit den gemachten Annahmen gut wiedergeben kann. Zudem sind die Simulationsergebnisse plausibel und liegen in guter Nähe zu den Messwerten. Gemäß der Zielsetzung ist es demnach prinzipiell möglich den Prozess durch Standard-Units der CHEMCAD-Bibliothek abzubilden, wobei hier jedoch gewisse vereinfachende Annahmen

hingenommen werden müssen. So ist man durch die Wahl des Elektrolyt-Modells zur Be- schreibung der Flüssigphase in den numerischen Lösungsmöglichkeiten eingeschränkt, was zu langen Rechenzeiten oder u. U. auch zur Divergenz führt. Zudem werden anwenderspezifisch angelegte Reaktion innerhalb der Units durch das globale Elektrolyt-Modell überschrieben, wenn dieses in den relevanten Units nicht deaktiviert wird und entsprechende Annahmen getroffen werden.

Darüber hinaus geben R. Thiele u. a. (2007) an, dass kommerzielle Flowsheet-Simulatoren, die wie CHEMCAD auf Gleich- und Nicht-Gleichgewichtsmodellen ohne Reaktionen basie- ren, die selektive Absorption von H2S und HCN in Anwesenheit von CO2 aufgrund der

langsamen Dissoziation von CO2 unterschätzen. Aus diesem Grund müssen den Autoren

zufolge auch eigene Modelle entwickelt und implementiert werden, welche die Interaktion der einzelnen Spezies untereinander und die chemischen Reaktionen berücksichtigen, wes- wegen im Fall der Erweiterung der Gasmatrix um CO2 und hinzu der von Koksofengas

(vgl. Abb. 2.3) ein UAM für die Kolonne entwickelt werden muss.

Die Einbindung eines UAMs für die Kolonne ist nicht Bestandteil dieser Arbeit, vielmehr sollen zunächst die komplexen Strömungsverhältnisse innerhalb des SZRs genauer abgebildet werden, da hier in Bezug auf das Prozessmodell die meisten Annahmen getroffen werden mussten und der Grad der Modellabstraktion am größten ist. Deswegen wird in Kap. 7 ein generisches Ersatzmodell für ein UAM hergeleitet und in CHEMCAD implementiert, welches das Verhalten des SZRs beschreiben kann.

Im Jahr 1983 wird durch Norbert Räbiger und Alfons Vogelpohl (1983) ein neu entwickelter Kompaktreaktor in Form eines Schlaufenreaktors vorgestellt, der durch eine Zweistoffdüse angetriebenen wird und als Vorläufer des Strahlzonen-Schlaufenreaktors gilt. In Pilotver- suchen zeigen N. Räbiger, Naundorf und A. Vogelpohl (1987) 4 Jahre später, dass durch den Einsatz des Kompaktreakors 10 bis 30-fach höhere biologische Abbauleistung gegenüber dem konventionellen Belebtschlammverfahren für hoch belasteter Industrieabwässer erzielt werden können, wobei nach Schlüter und N. Räbiger (1997) der erforderliche Energiebedarf durch Einsatz des SZRs stark reduziert wird. Wiedemann u. a. (2010) zeigen am Beispiel einer Chlorierung, einer Hydrierung und einer Oxidation, dass der Einsatz des SZRs zu einer Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute im Vergleich mit anderen Reaktortypen führt. Dies wird durch eine Intensivierung des Stofftransportes aufgrund skalenübergreifender Vermi- schungsprozesse in den mehrphasigen Systemen erklärt.

Wie der kurze nicht abschließende Literaturüberblick zeigt, liegen die Vorteile des SZRs auf der Hand, weswegen dieser innerhalb der Technikumsanlage erstmals für die Regeneration einer Redoxkatalysatorlösung im Bereich der Prozessgasentschwefelung verwendet wird und deshalb in diesem Kapitel 7 in den näheren Fokus der Untersuchungen rückt.

7.1 Zielsetzung

Das Ziel der Untersuchungen besteht darin, eine Rahmenstruktur für die Modellierung des SZRs zu entwickeln, welche die komplexen Strömungsverhältnisse beschreiben kann und innerhalb derer der Anwender auf einfache Weise individuelle Anpassungen wie die Erweite- rung oder Anpassung des Reaktionsnetzwerkes vornehmen kann.

Die Erstellung eines Ersatzmodells wird durch den Umstand motiviert, dass wie in Kap. 6 gezeigt, in Bezug auf den SZR der Grad der Modellabstraktion am größten ist. So können die Strömungsverhältnisse im SZR und insbesondere die Verweilzeitverteilung aufgrund der Umlaufströme durch Standard-Units der CHEMCAD-Bibliothek nicht ausreichend genug ab-

gebildet werden. Mit dem Ersatzmodell soll bspw. die Tatsache berücksichtigt werden, dass Gase bedingt durch den Strömungsverlauf im SZR vorzeitig desorbieren können, wodurch z. B. der Umsatz der reaktiven Komponenten beeinflusst wird. Dieses Verhalten kann durch die in Abschn. 6.3.3 getroffenen Annahme, der Annäherung des SZRs aus einem kinetischen Rohrreaktors, einem Flash und einem Separator nicht abgebildet werden.

Deshalb wird ein generisches Ersatzmodell des SZRs mit der frei zugänglichen Modellie- rungsumgebung MOSAICmodeling erstellt, in welcher die einzelnen Modellgleichungen auf Basis des Textsatzsystems Latex eingegeben und zu einem Gleichungssystem verknüpft wer- den (Merchan u. a., 2016). Mithilfe einer User Defined Language Specification (UDLS), wird dann durch MOSAICmodeling eine Überführung der Modellgleichungen in die Programmier- sprache C++ vorgenommen, welche die Grundlage des UAM-Programmcodes in CHEMCAD darstellt. Darüber hinaus können die Modelle von MOSAICmodeling in zahlreiche andere Programme bzw. Programmiersprachen wie bspw. MATLAB®, Python, GAMS, gPROMS

oder AMPL exportiert werden, wodurch leicht unterschiedlich leistungsfähige Solver genutzt werden können, um Lösungen zu berechnen, die ihrerseits als Startwerte für die Initialisie- rung in anderen Simulationsumgebungen dienen können.

Auf diese Weise kann dem Endanwender innerhalb CHEMCADs eine Unit bzw. UAM be- reitgestellt werden, die über eine Eingabemaske leicht parametriert werden kann. In den folgenden Abschnitten wird am Beispiel der Reaktion der Redoxkatalysatorregeneration in Gl. R 17 dargelegt, wie die generische Modellierung erfolgt und welche Annahmen getroffen werden, wobei der Schwerpunkt hier auf der Modellierung und nicht auf dem Transfer und der Einbindung des UAMs liegt. Diesbezüglich sei für umfassendere Einblicke zum Export des User Added Modules des SZRs auf Krone (2018, S. 71 ff.) verweisen.

Im Dokument Experimentelle und theoretische Analyse von nass-oxidativen Gasentschwefelungsverfahren (Seite 134-138)