Membrane assisted fluidized bed reactor: Hydrodynamics, heat transfer and reactor demonstration
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptziel des vorliegenden Vorhabens war es, durch detaillierte experimentelle Untersuchungen der Strömungsmechanik, Gasverteilung in der Wirbelschicht und der chemischen Umsetzung einer partiellen Oxidation ein genaueres Verständnis der Vorgänge bei der verteilten Gaszuführung in einen chemischen Reaktor zu erzielen. Die Untersuchungen sollten die Grundlage für eine verbesserte Modellierung und eine zielgerichtete Auslegung von Wirbelschichtreaktoren mit verteilter Reaktandenzuführung liefern. Mittels vergleichender Untersuchungen sollte weiterhin geklärt werden, bei welcher Anordnung der Sekundärgasverteilerrohre, der waagerechten bzw. der senkrechten Einbaulage, die beste Anlagenperformance erzielt werden kann. Hierzu wurden Messungen zur Untersuchung der Strömungsmechanik mit faseroptischen Sonden und mittels Particle Image Velocimetry (PIV) durchgeführt, die Verteilung des Sekundärgases in der Wirbelschicht mit Sauerstoff-Festelektrolyt-Sonden gemessen und die Umsetzung von Ethan zu Ethylen als Modellreaktion untersucht. Generell zeigt sich bei den strömungsmechanischen Untersuchungen, dass das Wirbelverhalten durch Zugabe eines Teils des Wirbelgases durch Membranrohre vergleichmäßigt wird und laterale Profile der Feststoffkonzentration und der lokalen Geschwindigkeiten ausgeglichen werden. Dies lässt sich im Wesentlichen durch die Bildung kleinerer Blasen erklären, die nicht so stark wie in einer Wirbelschicht ohne Einbauten zur Mitte der Wirbelschicht wandern um dort mit recht hohen Aufstiegsgeschwindigkeiten aufzusteigen. Die PIV-Messungen haben zusätzlich gezeigt, dass hierdurch die großräumige Feststoffzirkulation weitgehend unterdrückt wird, wodurch sicher auch die Gasrückvermischung gemindert wird. Auch wenn sich die Ergebnisse der Strömungsmechanikmessungen zwischen horizontalen und vertikalen Rohren im Detail unterscheiden, lassen sich bei diesen Messungen keine grundsätzlichen Vor- oder Nachteile im Vergleich zwischen vertikalen und horizontalen Rohren erkennen. Im Gegensatz hierzu zeigen die Messungen der Sauerstoffkonzentration mittels Sauerstoff- Festelektrolyt-Sonden Vorteile für die Verwendung von vertikalen Membranrohren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei den vertikalen Sekundärgasverteilern das Sekundärgas zu großen Teilen in die Suspensionsphase einströmt, während bei horizontalen Rohren sich offensichtlich Blasen neu bilden und so das Sekundärgas vorzugsweise in die Blasenphase eintritt und durch Stoffaustausch in die Suspensionsphase transportiert werden muss. Untersuchungen von Umsatz, Selektivität und Ausbeute bestätigen diese Tendenz. Der Reaktor mit vertikalen Membranen zeigt eine etwas bessere Ausbeute und auch eine etwas bessere Selektivität. Zumindest im Fall der Modellreaktion sind diese jedoch nicht so signifikant, dass nicht andere Gesichtspunkte, wie etwa die einfachere Konstruktion, nicht den Ausschlag für die Wahl von horizontalen Membranen geben könnten. Aufgrund der verkürzten Laufzeit konnte bisher nur das einfache Modell einer Rührkesselkaskade zur Beschreibung der Wirbelschicht untersucht werden. Es hat sich als nicht ausreichend erwiesen, um die beobachteten Unterschiede zwischen den Membranreaktoren und dem Wirbelschichtreaktor ohne Einbauten hinreichend genau zu beschreiben. Es soll deshalb jetzt nach Beendigung des Projektes noch ein Zweiphasen- Modell der Wirbelschicht implementiert werden, das nach ersten Ergebnissen besser in der Lage ist, die beobachteten Effekte zu beschreiben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Characterization of Reducing Atmospheres with a Gas Potentiometric Oxygen Probe Biomass Gasification Technologies Workshop (Biogastech), April 9-11, 2008, Istanbul
Lemin, B., Schotte, E., Herrmann, A., Heinrich, S., Hein, D.
- Controlled addition of reactants in a fluidized bed membrane reactor, CFB-9. 9th International Conference on Circulating Fluidized Beds , May 13-16, 2008, Hamburg, Germany
Ahchieva, D., Lemin, B., Heinrich, S., Mörl, L.
- Distributed dosage of reactants in fluidized beds by porous membranes, World Congress on Particle Technology (WCPT6), April 2010, Nürnberg
Lemin, B., Heinrich,S., Hartge, E.-U.
- Gas Potentiometry: Oxygen-based Redox Process Diagnostics in High Temperature Environments, Handbook of Combustion, Vol.2, 2010, Willey
Schotte, E., Lemin, B., Lorenz, H., Rau, H.
- Investigation of the distributed addition of gas to a fluidized bed reactor. International Conference on Multiphase Flow, June 2010, Tampa, Florida
Lemin, B., Heinrich, S., Hartge, E.-U.
- Sauerstoff-Festelektrolyt-Sensoren - ein universelles Messsystem zur Untersuchung, Diagnose und Überwachung von Hochtemperaturprozessen, Übersichtsbeitrag, Sensoren und Messsysteme (SENS) 2010, Mai 2010, Nürnberg
Lemin, B., Schotte, E., Heinrich, S., Mörl, L.
- Strömungsmechanische Untersuchung der verteilten Zufuhr gasförmiger Reaktanden in Wirbelschichten, Posterpräsentation, Arbeitssitzung des ProcessNet-Fachausschusses „Mehrphasenströmung“, Frankfurt/Main, 2010, Poster
Lemin, B., Hartge, E.-U., Heinrich, S.
