Ziel dieser Arbeit ist die Abtrennung von monovalenten Anionen wie Chlorid, Fluorid, Bromid und Nitrat aus hochkonzentrierten alkalischen wässrigen Lösungen, die als Matrix zweiwertigen Anionen (Carbonat und Sulfat) besitzen. Nach Auswertung der Literatur eignen sich vor allem die Verfahren Ionenaustausch und Nanofiltration für diesen Zweck. Die untersuchten Ionenaustauscher weisen eine geringe Selektivität für die einwertigen Anionen auf, so dass die für einwertige Anionen nutzbare Kapazität mit steigendem Gehalt an zweiwertigen Anionen sinkt. Dabei steigt die Kapazität in der Reihenfolge Fluorid→Chlorid→Bromid→Nitrat. Die beobachteten Selektivitäten bei der Nanofiltration steigen in der gleichen Reihenfolge, wobei die Trennrate zwischen ein- und zweiwertigen Anionen vom Membrantyp abhängt. Es konnte ein Zusammenhang zwischen den Kapazitäten der untersuchten stark basischen Anionenaustauscher für monovalente Anionen und den Rückhalten für diese Anionen bei den Nanofiltrationsmembranen mit den Ionenhydratationsparametern festgestellt werden.

Ziel dieser Arbeit ist die Abtrennung von monovalenten Anionen wie Chlorid, Fluorid, Bromid und Nitrat aus hochkonzentrierten alkalischen wässrigen Lösungen, die als Matrix zweiwertigen Anionen (Carbonat und Sulfat) besitzen. Nach Auswertung der Literatur eignen sich vor allem die Verfahren Ionenaustausch und Nanofiltration für diesen Zweck. Die untersuchten Ionenaustauscher weisen eine geringe Selektivität für die einwertigen Anionen auf, so dass die für einwertige Anionen nutzbare Kapazität mit steigendem Gehalt an zweiwertigen Anionen sinkt. Dabei steigt die Kapazität in der Reihenfolge Fluorid→Chlorid→Bromid→Nitrat. Die beobachteten Selektivitäten bei der Nanofiltration steigen in der gleichen Reihenfolge, wobei die Trennrate zwischen ein- und zweiwertigen Anionen vom Membrantyp abhängt. Es konnte ein Zusammenhang zwischen den Kapazitäten der untersuchten stark basischen Anionenaustauscher für monovalente Anionen und den Rückhalten für diese Anionen bei den Nanofiltrationsmembranen mit den Ionenhydratationsparametern festgestellt werden.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur stationären und dynamischen Simulation einer chemischen Absorptionsgaswäsche zur Abtrennung von CO2 entwickelt und in Matlab implementiert. Die Literaturrecherche zeigt, dass für die Teilmodelle der Kolonnen in diesem Kontext eindimensionale Modelle mit kinetischem Massentransport unter Berücksichtigung des Einflusses der chemischen Reaktionen durch einen Enhancement-Faktor besonders ge- eignet sind. Zusätzlich wird ein rigoroses Modell für die Hydraulik der Kolonnen berücksichtigt. Um auch in zukünftigen Arbeiten flexible Untersuchungen zur Modularisierung chemischer Absorptionsgaswäschen zu ermöglichen, findet ein objektorientierter Programmieransatz auf Basis der Flowsheet-Konzepts Anwendung. Die Validierung der Teilmodelle für Ab- und Desorber erfolgt anhand experimenteller Messdaten aus der Literatur. Die Ergebnisse der Variationsbetrachtungen am Absorberteilmodell stellen eine veränderte Festlegungsmethode der Waschmittelstrommenge bzw. eine alternative Auslegung entsprechender Kolonnen im Kontext der Modularsierung von Gaswäscheprozessen zur Diskussion.:Formelzeichen 5 Indizes 7 Abkürzungen 8 1. Motivation 10 2. Stand der Technik 13 2.1. Einsatzgebiete von Systemen zur Abscheidung von Kohlenstoffdioxid 13 2.1.1. Carbon Capture and Storage (CCS) 13 2.1.2. Aufwertung von Biogas 14 2.2. Aufbau und Wirkungsweise der Absorptionsgaswäsche mit chemischem Anteil 14 2.2.1. Prozessschema einer Absorptionsgaswäsche mit chemischem Anteil 14 2.2.2. Aufbau und Wirkungsweise einer Packungskolonne 15 2.2.3. Aufbau und Wirkungsweise von Waschmitteln 18 2.3. Modellierung von Absorptionsgaswäschen 20 2.3.1. Einteilung der Modelle für chemische Absorptionskolonnen 20 2.3.2. Modelle für die chemische Absorptionskolonne in der Literatur 21 2.3.3. Pilotanlagen und Messdaten 23 2.4. Modularisierung einer Absorptionsgaswäsche 24 2.4.1. Modularisierung verfahrenstechnischer Anlagen - Die 50 %-Idee 24 2.4.2. Modularisierung von Gaswäschern - Analyse der Ergebnisse von Ohle, Obst, Mollekopf und Urbas (2014) 24 2.5. Ableitung der Zielstellung für diese Arbeit 26 3. Modellierung 27 3.1. Allgemeine Grundlagen 27 3.1.1. Bilanzgleichungen und Modellgleichungen 27 3.1.2. Örtliche Diskretisierungsverfahren 28 3.1.3. Zeitliche Diskretisierung 30 3.1.4. Differential-Algebraische Gleichungssysteme 30 3.2. Stoffdatenmodelle 31 3.2.1. Stoffdatenanbindung via CAPE-OPEN 31 3.2.2. Phasengleichgewicht 32 3.2.3. Stoffdatenmodell der Gasphase 35 3.2.4. Stoffdatenmodell der Flüssigphase 35 33.3. Absorptions- und Desorptionskolonne 42 3.3.1. Aufstellen und Diskretisieren der Modellgleichungen 42 3.3.2. Hydraulischer Arbeitsbereich 45 3.3.3. Stofftransport 47 3.3.4. Wärmetransport 50 3.3.5. Zusammenfassung der Annahmen 50 3.4. Wärmeübertrager 51 3.4.1. Reboiler und Kondensator 52 4. Implementierung 54 4.1. Randbedingungen 54 4.2. Implementierung und Arbeitsweise der Simulatorbestandteile 55 4.2.1. PropertyPackages 55 4.2.2. Flows 58 4.2.3. Units 59 4.2.4. FlowSheet 63 4.2.5. Simulator 64 4.2.6. Postprocessor 68 5. Ergebnisse 71 5.1. Stationäre und dynamische Validierung 71 5.1.1. Validierung des Absorbers 72 5.1.2. Validierung des Desorbers 75 5.2. Variation des Absorberdurchmessers 79 6. Zusammenfassung und Ausblick 85 A. Anhang 96 A.1. Ergänzende Angaben zum Stoffdatenmodell 96 A.1.1. Ergänzungen zum Stoffdatenmodell der gasförmigen Phase 96 A.1.2. Ergänzungen zum Stoffdatenmodell der flüssigen Phase 97 A.2. Koeffizienten des hydraulischen Modells nach Billet und Schultes 100 / In this work a model for stationary and dynamic simulation of a chemical gas scrubber is developed and implemented in Matlab. In an extensive literature study the rate-based approach under consideration of an enhancement factor was identified as best fitting choice for the column component models. Additionally a rigoros model accounts for hydraulics in the columns. To allow flexible research in this and future work a object-oriented programming approach based on the flowsheeting concept is used. Absorber and desorber part are validated against experimental data from literature. The modularization of absorber part is investigated in a variation review. The results put up discussion about an alternate determination method for solvent flow and different dimensioning schemes of gas scrubbers in this context.:Formelzeichen 5 Indizes 7 Abkürzungen 8 1. Motivation 10 2. Stand der Technik 13 2.1. Einsatzgebiete von Systemen zur Abscheidung von Kohlenstoffdioxid 13 2.1.1. Carbon Capture and Storage (CCS) 13 2.1.2. Aufwertung von Biogas 14 2.2. Aufbau und Wirkungsweise der Absorptionsgaswäsche mit chemischem Anteil 14 2.2.1. Prozessschema einer Absorptionsgaswäsche mit chemischem Anteil 14 2.2.2. Aufbau und Wirkungsweise einer Packungskolonne 15 2.2.3. Aufbau und Wirkungsweise von Waschmitteln 18 2.3. Modellierung von Absorptionsgaswäschen 20 2.3.1. Einteilung der Modelle für chemische Absorptionskolonnen 20 2.3.2. Modelle für die chemische Absorptionskolonne in der Literatur 21 2.3.3. Pilotanlagen und Messdaten 23 2.4. Modularisierung einer Absorptionsgaswäsche 24 2.4.1. Modularisierung verfahrenstechnischer Anlagen - Die 50 %-Idee 24 2.4.2. Modularisierung von Gaswäschern - Analyse der Ergebnisse von Ohle, Obst, Mollekopf und Urbas (2014) 24 2.5. Ableitung der Zielstellung für diese Arbeit 26 3. Modellierung 27 3.1. Allgemeine Grundlagen 27 3.1.1. Bilanzgleichungen und Modellgleichungen 27 3.1.2. Örtliche Diskretisierungsverfahren 28 3.1.3. Zeitliche Diskretisierung 30 3.1.4. Differential-Algebraische Gleichungssysteme 30 3.2. Stoffdatenmodelle 31 3.2.1. Stoffdatenanbindung via CAPE-OPEN 31 3.2.2. Phasengleichgewicht 32 3.2.3. Stoffdatenmodell der Gasphase 35 3.2.4. Stoffdatenmodell der Flüssigphase 35 33.3. Absorptions- und Desorptionskolonne 42 3.3.1. Aufstellen und Diskretisieren der Modellgleichungen 42 3.3.2. Hydraulischer Arbeitsbereich 45 3.3.3. Stofftransport 47 3.3.4. Wärmetransport 50 3.3.5. Zusammenfassung der Annahmen 50 3.4. Wärmeübertrager 51 3.4.1. Reboiler und Kondensator 52 4. Implementierung 54 4.1. Randbedingungen 54 4.2. Implementierung und Arbeitsweise der Simulatorbestandteile 55 4.2.1. PropertyPackages 55 4.2.2. Flows 58 4.2.3. Units 59 4.2.4. FlowSheet 63 4.2.5. Simulator 64 4.2.6. Postprocessor 68 5. Ergebnisse 71 5.1. Stationäre und dynamische Validierung 71 5.1.1. Validierung des Absorbers 72 5.1.2. Validierung des Desorbers 75 5.2. Variation des Absorberdurchmessers 79 6. Zusammenfassung und Ausblick 85 A. Anhang 96 A.1. Ergänzende Angaben zum Stoffdatenmodell 96 A.1.1. Ergänzungen zum Stoffdatenmodell der gasförmigen Phase 96 A.1.2. Ergänzungen zum Stoffdatenmodell der flüssigen Phase 97 A.2. Koeffizienten des hydraulischen Modells nach Billet und Schultes 100

Im Rahmen dieser Arbeit werden Konzepte für Gasaufbereitung in Kombikraftwerken mit integrierter Wirbelschichtvergasung und CO2-Abtrennung untersucht (IGCC-CCS). Dabei stehen die Konvertierung von Kohlenmonoxid (CO-Shift) und die Einbindung dieses Prozeß-schrittes in ein IGCC-CCS-Kraftwerk im Mittelpunkt. Ziel der Arbeit ist die energetische und wirtschaftliche Bewertung von Konzepten zur CO2-Abtrennung für ein ab 2015 baubares, grundlastfähiges IGCC-CCS-Kraftwerk der 800-MW-Klasse. Dazu werden neben den bekannten konventionellen, mehrstufigen Konzepten der Rohgas- und Reingas-Shift weitere alternative Ansätze zur Steigerung des Anlagenwirkungsgrades sowie zur Senkung der spezifischen CO2-Emission verfolgt. Die Ergebnisse der mit Hilfe von ASPEN Plus und EBSILON Professional durchgeführten Prozesssimulationen werden im Vergleich zu Dampfkraftwerken neuester Bauart wirtschaftlich bewertet.

Im Rahmen dieser Arbeit werden Konzepte für Gasaufbereitung in Kombikraftwerken mit integrierter Wirbelschichtvergasung und CO2-Abtrennung untersucht (IGCC-CCS). Dabei stehen die Konvertierung von Kohlenmonoxid (CO-Shift) und die Einbindung dieses Prozeß-schrittes in ein IGCC-CCS-Kraftwerk im Mittelpunkt. Ziel der Arbeit ist die energetische und wirtschaftliche Bewertung von Konzepten zur CO2-Abtrennung für ein ab 2015 baubares, grundlastfähiges IGCC-CCS-Kraftwerk der 800-MW-Klasse. Dazu werden neben den bekannten konventionellen, mehrstufigen Konzepten der Rohgas- und Reingas-Shift weitere alternative Ansätze zur Steigerung des Anlagenwirkungsgrades sowie zur Senkung der spezifischen CO2-Emission verfolgt. Die Ergebnisse der mit Hilfe von ASPEN Plus und EBSILON Professional durchgeführten Prozesssimulationen werden im Vergleich zu Dampfkraftwerken neuester Bauart wirtschaftlich bewertet.

The objective of this thesis is to provide an extensive description of the correlations in some of the most crucial sub-processes for hard coal fired IGCC with carbon capture (CC-IGCC). For this purpose, process simulation models are developed for four industrial gasification processes, the CO-shift cycle, the acid gas removal unit, the sulfur recovery process, the gas turbine, the water-/steam cycle and the air separation unit (ASU). Process simulations clarify the influence of certain boundary conditions on plant operation, performance and economics. Based on that, a comparative benchmark of CC-IGCC concepts is conducted. Furthermore, the influence of integration between the gas turbine and the ASU is analyzed in detail. The generated findings are used to develop an advanced plant configuration with improved economics. Nevertheless, IGCC power plants with carbon capture are not found to be an economically efficient power generation technology at present day boundary conditions.

The objective of this thesis is to provide an extensive description of the correlations in some of the most crucial sub-processes for hard coal fired IGCC with carbon capture (CC-IGCC). For this purpose, process simulation models are developed for four industrial gasification processes, the CO-shift cycle, the acid gas removal unit, the sulfur recovery process, the gas turbine, the water-/steam cycle and the air separation unit (ASU). Process simulations clarify the influence of certain boundary conditions on plant operation, performance and economics. Based on that, a comparative benchmark of CC-IGCC concepts is conducted. Furthermore, the influence of integration between the gas turbine and the ASU is analyzed in detail. The generated findings are used to develop an advanced plant configuration with improved economics. Nevertheless, IGCC power plants with carbon capture are not found to be an economically efficient power generation technology at present day boundary conditions.