Systematische Entwicklung adsorptiver Gastrennprozesse für Mehrstoffgemische - Vargas Schmitz, Jürgen (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2023)
Eine Methodik zur Entwicklung eines detaillierten Anlagenmodells für die Trennung stark-adsorbierender Gasgemische wird präsentiert. Das Modell besteht aus einem kompressiblen, nichtisothermen Transport-Dispersions-Modell für den Adsorber und einem axial-dispersen, kompressiblen Modell für die peripheren Volumina. Die Methodik beschreibt die systematische Auswahl der Bedingungen von Adsorptionsgleichgewichtsmessungen, die zur korrekten Parametrisierung von Adsorptionsisothermenmodellen erforderlich ist. Dabei werden die Oberflächenheterogenität sowie die Abhängigkeit der isosteren Adsorptionswärme von Beladung und Temperatur mit dem Virial-Ansatz im Detail untersucht. Gleichermaßen werden zur Parametrisierung der Wärme- und Stoffübertragung Richtlinien zur Auslegung dynamischer Versuche in Form von Adsorptions-Desorptionszyklen mit möglichst hohem Informationsgehalt. In diesem Zusammenhang wird ein Kompetitivitätsgrad eingeführt, anhand dessen die Ausprägung nichtlinearer dynamischer Effekte in binären und pseudobinären Systemen untersucht werden kann. Eine erweiterte Korrelation des Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen dem Adsorberbett und der Adsorberwand, die die lokalen Änderungen der Wärmeleitfähigkeit in der fluiden Phase mit einem pseudostatischen Beitrag berücksichtigt, wird vorgeschlagen. Die Methodik wird auf das Modellsystem H2/N2/CH4/CO2 auf einem Kohlenstoffmolekularsieb angewendet. Das entwickelte Modell kann mit hoher Genauigkeit Temperatur-, Zusammensetzungs- und Volumenstromverläufe binärer und pseudobinärer Adsorptions-Desorptionszyklen in einem breiten Bereich an Temperaturen, Zusammensetzungen, Drücken und Volumenströmen vorhersagen. Weiterhin kann das Modell ternäre und Einkomponentensysteme beschreiben. Durch Simulationsstudien wird die Relevanz der Kompetitivität, Adsorptionskinetik, Wärmeübertragung und Totvolumina evaluiert.<br
Keywords: gas adsorption processes; pressure-swing adsorption; heat of adsorption; breakthrough curve; modelling; simulation; Tóth adsorption isotherm; virial adsorption isotherm; competitive adsorption; heat transfer; carbon molecular sieve; heterogeneous surface; compressible non-isothermal transport-dispersion model; model parametrization; bulk separation