TY - THES

T1 - Modellierung einer Festbettreaktorkaskade für die dynamische Methanisierung von Kuppelgasen mittels MATLAB® Simulink

AU - Moser, Philipp

N1 - gesperrt bis null

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Die katalytische Methanisierung von Stahlwerksgasen unter dynamischen Bedingungen besitzt großes Potential bei der Reduzierung des internen Energiebedarfs sowie bei der Einbindung erneuerbarer Energien im integrierten Hüttenwerk. Für einen wirtschaftlichen und wettbewerbsfähigen Power-to-Gas Prozess werden die Teilschritte im Zuge des EU-Projekts i³upgrade mit einer intelligenten Regelungsstrategie modelliert und simuliert. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein Modell der Methanisierungsanlage mit drei in Serie geschalteten Festbett-Reaktoren am Lehrstuhl für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes mittels Matlab® Simulink erstellt, welches das reale Verhalten der Anlage abbilden soll. Als Zielgrößen wurden der Regelungsstrategie die Produktgasströme sowie die Katalysatortemperaturen der jeweiligen Reaktoren übergeben. Um eine kontinuierliche Kommunikation mit der Regelungsstrategie zu erlauben, wurden die austretenden Stoffströme mit experimentell ermittelten Versuchsumsätzen berechnet. Für eine rasche Beurteilung der thermischen Belastung der Katalysatorschüttung, wurde diese als homogen angesehen wodurch sich die Temperatur der Schüttung auf einen Wert reduziert. Die Dynamik wurde in diesem Modell durch variierende Raumgeschwindigkeiten (GHSV) abgebildet. Das Modell wurde hinsichtlich der Gaszusammensetzungen mit Versuchsdaten validiert und konnte mit minimalen Abweichungen im einstelligen Prozentbereich an das Originalsystem angenähert werden. Die Temperaturen in der Katalysatorschüttung wurden qualitativ ausgewertet und zeigten nachvollziehbare und plausible Ergebnisse. Um die stationären Temperaturen zu validieren und um eine zusätzliche Dynamik in Form von variierenden Wasserstoffüberschüssen zu berücksichtigen, wurde ein weiteres Modell in Simulink erstellt. Dabei wurde das Modell mit Hilfe eines unbekannten Modellparameter dem Originalsystem empirisch angenähert. Die Validierung zeigte eine Annäherung von +/- 10 °C für den ersten und +/- 15 °C für den zweiten Reaktor, wohingegen der dritte Reaktor von vielen äußeren Einflüssen abhängt und nicht validiert werden konnte. Des Weiteren konnte auch der zeitliche Temperaturverlauf mit experimentellen Versuchsdaten validiert werden.

AB - Die katalytische Methanisierung von Stahlwerksgasen unter dynamischen Bedingungen besitzt großes Potential bei der Reduzierung des internen Energiebedarfs sowie bei der Einbindung erneuerbarer Energien im integrierten Hüttenwerk. Für einen wirtschaftlichen und wettbewerbsfähigen Power-to-Gas Prozess werden die Teilschritte im Zuge des EU-Projekts i³upgrade mit einer intelligenten Regelungsstrategie modelliert und simuliert. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein Modell der Methanisierungsanlage mit drei in Serie geschalteten Festbett-Reaktoren am Lehrstuhl für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes mittels Matlab® Simulink erstellt, welches das reale Verhalten der Anlage abbilden soll. Als Zielgrößen wurden der Regelungsstrategie die Produktgasströme sowie die Katalysatortemperaturen der jeweiligen Reaktoren übergeben. Um eine kontinuierliche Kommunikation mit der Regelungsstrategie zu erlauben, wurden die austretenden Stoffströme mit experimentell ermittelten Versuchsumsätzen berechnet. Für eine rasche Beurteilung der thermischen Belastung der Katalysatorschüttung, wurde diese als homogen angesehen wodurch sich die Temperatur der Schüttung auf einen Wert reduziert. Die Dynamik wurde in diesem Modell durch variierende Raumgeschwindigkeiten (GHSV) abgebildet. Das Modell wurde hinsichtlich der Gaszusammensetzungen mit Versuchsdaten validiert und konnte mit minimalen Abweichungen im einstelligen Prozentbereich an das Originalsystem angenähert werden. Die Temperaturen in der Katalysatorschüttung wurden qualitativ ausgewertet und zeigten nachvollziehbare und plausible Ergebnisse. Um die stationären Temperaturen zu validieren und um eine zusätzliche Dynamik in Form von variierenden Wasserstoffüberschüssen zu berücksichtigen, wurde ein weiteres Modell in Simulink erstellt. Dabei wurde das Modell mit Hilfe eines unbekannten Modellparameter dem Originalsystem empirisch angenähert. Die Validierung zeigte eine Annäherung von +/- 10 °C für den ersten und +/- 15 °C für den zweiten Reaktor, wohingegen der dritte Reaktor von vielen äußeren Einflüssen abhängt und nicht validiert werden konnte. Des Weiteren konnte auch der zeitliche Temperaturverlauf mit experimentellen Versuchsdaten validiert werden.

KW - Power-to-Gas

KW - katalytische Methanisierung

KW - dynamischer Betrieb

KW - transiente Bedingungen

KW - Schüttkatalysator

KW - Festbettreaktorkaskade

KW - Stahlwerksgase

KW - Modellierung

KW - Simulation

KW - MATLAB® Simulink

KW - Power-to-Gas

KW - catalytic methanation

KW - dynamic operation

KW - transient conditions

KW - bulk catalyst

KW - fixed-bed reactor cascade

KW - steel-mill gases

KW - modelling

KW - simulation

KW - MATLAB® Simulink

M3 - Masterarbeit

ER -