Auslegung eines Prozesses zur Produktion der höheren Alkohole Ethanol und Propanol aus Synthesegas

Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens der thermo-chemischen Herstellung von Bio-Ethanol der zweiten Generation wird signifikant durch das gewählte Katalysatorsystem bestimmt. Die Eigenschaften des Katalysators beeinflussen direkt das Schema und die Produktivität des Prozesses. Um den Einfluss neuer Katalysatorsysteme auf den Gesamtprozess der Alkoholsynthese unter moderatem Zeitaufwand auf verschiedenen Größenskalen untersuchen zu können wurde eine modular aufgebaute Toolbox entwickelt. Diese basiert auf den beiden kommerziellen Simulationstools ANSYS FLUENT V15.0 und ASPENPlus V8.4. Ein mikrokinetisches Modell bildet das zu untersuchende Katalysatorsystem ab. Der Reaktionsmechanismus beschreibt die Alkoholsynthese über einen sulfidisierten Co-K-Mo/C-Katalysator. Der Mechanismus wurde auf Messdaten eines Co-Cu/ZnO/Al2O3-Katalysators angepasst. Die Wärme- und Stofftransportvorgänge in einem katalytisch aktiven sphärischen Korn werden numerisch gelöst, um Temperatur- und Konzentrationsgradienten im Korn zu untersuchen. Die Auslegung der beiden Reaktortypen (Festbett- und Slurryreaktor) erfolgte in FLUENT. Das Zweiphasensystem des Festbettreaktors wurde durch ein quasi-homogenes Reaktormodell beschrieben. Für die CFD-Simulationen des Slurryreaktors wurde das Euler-Euler-Mehrphasenmodell verwendet. Die Gasphase sowie die Suspension aus Flüssigkeit und Feststoffkatalysator wurden als einzelne Phasen beschrieben. Die Phasenunteraktion wurde über Grenzflächenkräfte berücksichtigt. Zur Beschreibung der Blasengrößenverteilung wurde das Population-Balance-Modell implementiert. Experimentelle Untersuchungen an Blasensäulenkolonnen dienten der Überprüfung des CFD-Modells. Aufbauend auf den Ergebnissen erfolgte die Modellierung des vollständigen Syntheseverfahrens in ASPENPlus.

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Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens der thermo-chemischen Herstellung von Bio-Ethanol der zweiten Generation wird signifikant durch das gewählte Katalysatorsystem bestimmt. Die Eigenschaften des Katalysators beeinflussen direkt das Schema und die Produktivität des Prozesses. Für eine bessere Vergleichbarkeit ist es daher sinnvoll, den Einfluss neuer Katalysatorsysteme auf das Gesamtverfahren unter moderatem Zeitaufwand untersuchen zu können. Hierfür wurde im Rahmen der Arbeit eine modular aufgebaute Toolbox entwickelt. Diese setzt sich aus eigenen Programmen und den beiden kommerziellen Simulationstools ANSYS FLUENT V15.0 und ASPENPlus V8.4 zusammen. Die kommerziellen Programme wurden durch eigene Zusatzmodelle erweitert. Die Toolbox ermöglicht es, den Prozess der Alkoholsynthese auf verschiedenen Größenskalen zu untersuchen.

Das erste Werkzeug löst die Wärme- und Stofftransportvorgänge in einem katalytisch aktiven sphärischen Einzelkorn numerisch, sodass Temperatur- und Konzentrationsgradienten im Korn untersucht werden können. Zur Auslegung der beiden Reaktortypen des Festbett- und Slurryreaktors wurde das CFD-Programm ANSYS FLUENT um Zusatzfunktionen erweitert. Das Zweiphasensystem des Festbettreaktors wurde durch ein quasi-homogenes Reaktormodell beschrieben. Der Einfluss lokaler Fluktuationen in den Freiräumen des durchströmten Festbettes auf den Druckverlust und Wärmetransport wurde über empirische Korrelationen berücksichtigt. Für die CFD-Simulationen des Slurryreaktors wurde das Euler- Euler-Mehrphasenmodell (EEM) verwendet. Hierbei wurde die Gasphase sowie die Suspension aus Flüssigkeit und Feststoffkatalysator als einzelne Phasen beschrieben. Die Interaktion zwischen beiden Phasen wurde über Grenzflächenkräfte berücksichtigt. Hierfür wurden empirische Modelle zur Beschreibung der Widerstandskraft, der dynamischen Auftriebskraft und der Wall-Lubrication-Force verwendet. Zur Beschreibung der Spaltungsund Koaleszenzprozesse von Gasblasen wurde das Population-Balance-Modell implementiert. Zur Überprüfung des CFD-Modells wurden experimentelle Untersuchungen von Krishna et al. und Kulkarni et al. an Blasensäulenkolonnen herangezogen. Aufbauend auf den Ergebnissen der obig beschriebenen Untersuchungen wurde das vollständige Syntheseverfahren in ASPENPlus modelliert.

Alle Werkzeuge greifen auf dasselbe mikrokinetische Modell zurück. Dieses bildet das zu untersuchende Katalysatorsystem ab. Der Reaktionsmechanismus beruht auf der Arbeit von Gunturu et al. und beschreibt die Alkoholsynthese über einen sulfidisierten Co-K-Mo/C- Katalysator. Der Mechanismus wurde mittels Parametervariation auf Messdaten von Anton et al. angepasst, um einen Co-Cu/ZnO/Al₂O₃-Katalysator abzubilden.