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

Philipp Moser

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

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.
Titel in ÜbersetzungModeling of a fixed-bed reactor cascade for the dynamic methanation of co-produced steel mill gases using MATLAB® Simulink
OriginalspracheDeutsch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Wolf-Zöllner, Philipp, Mitbetreuer (intern)
  • Lehner, Markus, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung25 Juni 2021
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2021

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Power-to-Gas
  • katalytische Methanisierung
  • dynamischer Betrieb
  • transiente Bedingungen
  • Schüttkatalysator
  • Festbettreaktorkaskade
  • Stahlwerksgase
  • Modellierung
  • Simulation
  • MATLAB® Simulink

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