Rate-based-Modellierung von CO2-Absorptionskolonnen mit Anstaupackungen

Eines der am häufigsten eingesetzten Trennverfahren zur Abscheidung von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus Kraftwerksabgasen ist die Reaktivabsorption mit wässrigen Aminlösungen. Neben der Entwicklung effektiverer Lösungsmittel weisen die Kolonneneinbauten hinsichtlich Druckverlust, Kapazität und Trennleistung ein wesentliches Potenzial für die Prozessintensivierung und damit die Reduzierung des hohen Ressourcenbedarfs auf.
Eine Verbesserung der Trennleistung kann durch den Einsatz von Anstaupackungen erzielt werden. Diese bestehen aus zwei abwechselnden Lagen von Standardpackungen mit unterschiedlichen spezifischen Oberflächen. Die untere Packungslage (die sogenannte Anstaulage) hat eine geringere Belastungsgrenze im Vergleich zur darüberliegenden Abscheidelage. Anstaupackungen werden typischerweise bei Betriebsbedingungen zwischen den Flutpunkten beider Lagen betrieben. Durch das gezielte Fluten der Anstaulage bildet sich eine in die Abscheidelage hineinreichende Sprudelschicht, in der eine hohe Trennleistung mit intensiver Phasenvermischung erzielt wird. Im oberen Bereich der Abscheidelage können filmähnliche Strömungsmuster, Rinnsale und aus der Sprudelschicht mitgerissene Tropfen beobachtet werden [1]. Obwohl der für Trennverfahren vorteilhafte intensive Phasenkontakts bei dem integrierten Packungstyps bereits nachgewiesen wurde, fehlend validierte Auslegungsgrundlagen für eine breitere Anwendung [2].
Eine genaue Vorhersage der Leistungscharakteristik ist für die Auslegung von Anstaupackungen unerlässlich. In einem von der DFG geförderten Kooperationsprojekt zwischen Universität Paderborn und TU Dresden werden die Auswirkungen der einzelnen Strömungsregime auf die Fluiddynamik und den Stoffaustausch komplementär mit experimentellen und theoretischen Methoden untersucht. Um die Auswirkungen jedes einzelnen Strömungsregimes zu bestimmen, werden Experimente an einer Absorptions-/ Desorptionsanlage durch bildgebende Messungen in Anstaupackungen ergänzt. An der Universität Paderborn wird die CO2-Absorption in einer Pilotanlage für verschiedene Design- und Betriebsparameter untersucht. Die Anlage ermöglicht die Messung von Temperaturprofilen der Gasphase sowie von Konzentrationsprofilen beider Phasen. Mithilfe der ultraschnellen Röntgentomographie wird am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rosendorf die Phasenverteilung innerhalb der Anstaupackung untersucht. Die Messdaten aus beiden experimentellen Methoden werden verwendet, um Korrelationen für Stofftransportkoeffizienten, Phasengrenzfläche, Holdup und Druckverlust zu entwickeln, die in einem rate-based-Modell für CO2-Absorptionsverfahren mit wässrigen Aminlösungen eingesetzt werden.
Der rate-based-Ansatz kann die Besonderheiten diverser Kolonneneinbauten durch einbautenspezifische Korrelationen berücksichtigen. Da die verschiedenen Fluiddynamikregime in Anstaupackungen unterschiedliche Auswirkungen auf den Stofftransport aufweisen, werden Absorptionskolonnen mit Anstaupackungen als eine Folge von abwechselnden Segmenten dargestellt und jedes Segment wird durch einen der Fluiddynamik entsprechenden Satz von Korrelationen beschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine Validierung des Modells mit experimentellen Daten zur CO2-Absorption.

[1] U. Brinkmann, B. Kaibel, M. Jödecke, J. Mackowiak, E.Y. Kenig: Beschreibung der Fluiddynamik von Anstaupackungen, Chemie Ingenieur Technik 84: 36-45 (2012).
[2] Ö. Yildirim, E.Y. Kenig: Rate-based modelling and simulation of distillation columns with sandwich packings, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 98, 147-154 (2015).