TY - THES

T1 - Validierung eines gekühlten Rohrreaktors für die katalytische Methanisierung von CO2 - vom Pilot- in den Demonstrationsmaßstab

AU - Gönner, Stefan

N1 - nicht gesperrt

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Die Power-to-Gas-Technologie, insbesondere die Power-to-Methane-Variante, ermöglicht die Nutzung der vorhandenen Gasinfrastruktur in Österreich um CO2 in Form von synthetischem Erdgas zu binden. Da bestehende Methanisierungskonzepte mit Festbettreaktoren ein herausforderndes Wärmemanagement mit ausgeprägten Temperatur-Hotspots aufweisen, soll im Rahmen dieser Masterarbeit ein dünner Doppelrohrreaktor mit aktiver Kühlung vermessen und die Messergebnisse in einem Simulationsmodell nachgebildet werden. Anhand dieser Simulation erfolgt eine Hochskalierung des Reaktors für einen erhöhten CO2-Durchsatz im großindustriellen Maßstab. Der mittels Thermalöl gekühlte Rohrreaktor (Di=14 mm) wird in die bestehende Pilotanlage am Lehrstuhl für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes an der Montanuniversität Leoben eingebaut. Die Vermessung des Betriebsverhaltens erfolgt mithilfe mehrerer Versuchsreihen unter der Variation von Druck- und Durchfluss. Die gewonnenen Ergebnisse der experimentellen Versuche werden in unterschiedlichen Simulationsmodellen in Aspen Plus® abgebildet. Nach der Auswahl von geeigneten Betriebspunkten erfolgt die Hochskalierung für eine Verwertung von 800 bis 20 000 kg CO2 pro Tag. Für die Dimensionierung werden die Abmessungen von Rohrbündel und Gehäuse berechnet und das Rohrlayout schematisch dargestellt. Die Labortests zeigen, dass mit handelsüblichem Schüttkatalysator CO2-Umsätze zwischen 90 - 99 % im Bereich von 4 bis 10 bar in einer Reaktorstufe möglich sind. Die in Österreich gültigen Einspeisekriterien können durch eine zweite Reaktorstufe gewährleistet werden. Eine Annäherung der simulierten an die experimentellen Ergebnisse gelang mit einer Abweichung von ±1 %, sodass eine realitätsnahe Hochskalierung für einen industriellen Reaktor durchführbar ist. Bei einem Tagesumsatz von 20 000 kg CO2 (Betriebspunkt: 12000 h-1, 8 bar) werden 2021 Rohre mit Di=14 mm benötigt. Die Außenschale des Rohrbündelreaktors weist bei dieser Dimension einen Durchmesser von 1,104 m auf. Durch das optimierte Wärmemanagement im aktiv gekühlten, im Durchmesser reduzierten Doppelrohrreaktor konnten trotz gesteigerter Durchflüsse hohe CO2-Umsätze erreicht werden. In Kombination mit der simulierten Hochskalierung sind die Betriebsmittel für die zukünftige Entwicklung weiterer Prototypen abschätzbar.

AB - Die Power-to-Gas-Technologie, insbesondere die Power-to-Methane-Variante, ermöglicht die Nutzung der vorhandenen Gasinfrastruktur in Österreich um CO2 in Form von synthetischem Erdgas zu binden. Da bestehende Methanisierungskonzepte mit Festbettreaktoren ein herausforderndes Wärmemanagement mit ausgeprägten Temperatur-Hotspots aufweisen, soll im Rahmen dieser Masterarbeit ein dünner Doppelrohrreaktor mit aktiver Kühlung vermessen und die Messergebnisse in einem Simulationsmodell nachgebildet werden. Anhand dieser Simulation erfolgt eine Hochskalierung des Reaktors für einen erhöhten CO2-Durchsatz im großindustriellen Maßstab. Der mittels Thermalöl gekühlte Rohrreaktor (Di=14 mm) wird in die bestehende Pilotanlage am Lehrstuhl für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes an der Montanuniversität Leoben eingebaut. Die Vermessung des Betriebsverhaltens erfolgt mithilfe mehrerer Versuchsreihen unter der Variation von Druck- und Durchfluss. Die gewonnenen Ergebnisse der experimentellen Versuche werden in unterschiedlichen Simulationsmodellen in Aspen Plus® abgebildet. Nach der Auswahl von geeigneten Betriebspunkten erfolgt die Hochskalierung für eine Verwertung von 800 bis 20 000 kg CO2 pro Tag. Für die Dimensionierung werden die Abmessungen von Rohrbündel und Gehäuse berechnet und das Rohrlayout schematisch dargestellt. Die Labortests zeigen, dass mit handelsüblichem Schüttkatalysator CO2-Umsätze zwischen 90 - 99 % im Bereich von 4 bis 10 bar in einer Reaktorstufe möglich sind. Die in Österreich gültigen Einspeisekriterien können durch eine zweite Reaktorstufe gewährleistet werden. Eine Annäherung der simulierten an die experimentellen Ergebnisse gelang mit einer Abweichung von ±1 %, sodass eine realitätsnahe Hochskalierung für einen industriellen Reaktor durchführbar ist. Bei einem Tagesumsatz von 20 000 kg CO2 (Betriebspunkt: 12000 h-1, 8 bar) werden 2021 Rohre mit Di=14 mm benötigt. Die Außenschale des Rohrbündelreaktors weist bei dieser Dimension einen Durchmesser von 1,104 m auf. Durch das optimierte Wärmemanagement im aktiv gekühlten, im Durchmesser reduzierten Doppelrohrreaktor konnten trotz gesteigerter Durchflüsse hohe CO2-Umsätze erreicht werden. In Kombination mit der simulierten Hochskalierung sind die Betriebsmittel für die zukünftige Entwicklung weiterer Prototypen abschätzbar.

KW - katalytische Methanisierung

KW - Reaktorkonzeptionierung

KW - Kinetikvalidierung

KW - Wärmemanagement

KW - catalytic methanation

KW - reactor design

KW - kinetic validation

KW - heat management

M3 - Masterarbeit

ER -