Mathematische Modellierung des MDEA-Absorptionsprozesses

Giesen, Ralf; Lucas, Klaus

doi:HT014243363

Mathematische Modellierung des MDEA-Absorptionsprozesses

Giesen, Ralf (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ralf Giesen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangXIII, 258 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Lucas, Klaus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-11-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-9693
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/58506/files/Giesen_Ralf.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gaswäsche (Genormte SW) ; Schwefelwasserstoff (Genormte SW) ; Absorption (Genormte SW) ; Methyliminodiethanol <N-Methyl-2,2-iminodiethanol> (Genormte SW) ; Prozessmodell (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Prozesssimulation (frei) ; Thermodynamik (frei) ; Absorption (frei) ; Methyldiethanolamin (frei) ; Thermische Trennverfahren (frei) ; Sauergaswäsche (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Absorptionsprozesse werden in der Verfahrenstechnik häufig zur selektiven Abtrennung einer oder mehrerer Gaskomponenten aus Gasgemischen verwendet. Gegenüber der Adsorption, bei der die Abtrennung der Gase an Feststoffoberflächen erfolgt, hat die Absorption einen großen Vorteil: Beide Phasen – der Gasstrom und die Waschmittellösung – werden im Gegenstrom zueinander geführt. Somit kann das beladene Waschmittel direkt aus dem Absorptionsprozess einer Reinigung durch Desorption zugeführt werden und steht danach aufbereitet wiederum zur Absorption zur Verfügung. Daher sind absorptive Gaswäschen in der Industrie weit verbreitet. Der Absorption liegt der Effekt zu Grunde, dass sich Gase in Flüssigkeiten lösen. Unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen den Gasen und dem Lösungsmittel führen zu einer unterschiedlichen Löslichkeit verschiedener Gaskomponenten und damit zu einer Selektivität des Lösungsmittels. So lösen sich beispielsweise polare Gase meist besonders gut in polaren Lösungsmitteln, während unpolare Gase darin nur schlecht löslich sind. In einigen Absorptionsprozessen werden Lösungsmittel verwendet, in denen Komponenten enthalten sind, die mit einigen der Gaskomponenten chemisch reagieren können. Derartige Prozesse werden unter dem Begriff „chemische Absorption” zusammengefasst. Da die reaktiven gelösten Gaskomponenten im Waschmittel partiell zu Folgeprodukten umgewandelt werden, wird die Aufnahmekapazität des Lösungsmittels für diese Gaskomponenten erhöht. Daher weisen chemische Absorptionsprozesse in der Regel eine besonders hohe Selektivität auf und werden in zahlreichen Gasreinigungsprozessen eingesetzt. Wässrige Alkanolamin-Lösungen eignen sich zur selektiven Absorption saurer Gaskomponenten wie Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid. Sie werden daher insbesondere bei der Reinigung verunreinigter Brenn- und Synthesegase eingesetzt. Haupteinsatzgebiet ist dabei die Reinigung von Erdgas. N-Methyldiethanolamin (MDEA) ist ein Alkanolamin, das besonders geeignet ist, Schwefelwasserstoff selektiv aus Gasströmen zu entfernen, wobei aufgrund einer reaktionskinetischen Hemmung Kohlendioxid weitgehend im Gasstrom verbleibt. Eine derartige selektive Entfernung des hochgiftigen Schwefelwasserstoffs ist in vielen industriellen Anwendung erwünscht, sodass die MDEA-Wäsche ein überaus weit verbreitetes und häufig angewendetes Absorptionsverfahren ist. Zur Planung und Optimierung von Prozessen ist es sinnvoll, ein mathematisches Simulationsmodell des Prozesses einzusetzen. Ein solches Simulationsmodell gibt beispielsweise Aufschluss darüber, wie eine Anlage zu planen ist, wie eine bestehende Anlage auf veränderte Randbedingungen reagiert oder deren Betrieb zu optimieren ist. In den meisten Gaswäschen treten Lastwechsel relativ selten auf und können für Zwecke der Planung und Optimierung als stationäre Fließprozesse aufgefasst werden. Somit sind für die oben angegebenen Aufgabenstellungen stationäre Simulationsmodelle einsetzbar. Wohlbekannt und etabliert sind Simulationsmodelle, die auf dem Gleichgewichtsstufenkonzept basieren. Diese Modelle können jedoch nur sinnvoll auf Prozesse angewendet werden, deren Zustandsgrößen nicht zu stark vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt liegen. Für Prozesse hingegen, in denen der Weg hin zum thermodynamischen Gleichgewicht durch verschiedene Hemmungseffekte, die sich möglicherweise noch gegenseitig beeinflussen, blockiert wird, scheitert das Gleichgewichtsstufenkonzept. Zu diesen Prozessen gehört auch die Sauergaswäsche mit wässrigen MDEA-Lösungen, die in dieser Arbeit als Beispielprozess ausgewählt wurde. Aufgrund der in den letzten Jahren rapide angestiegenen Leistungsfähigkeit von Computern ist es nun möglich, auch komplexere Modelle zur Prozessmodellierung heranzuziehen. Hierzu bieten sich verschiedene über das Gleichgewichtsstufenmodell hinausgehende Modelle mit unterschiedlichen Detaillierungsgraden an. Je detaillierter diese Modelle sind, desto länger wird im Allgemeinen die Berechnung dauern und desto geringer ist die Konvergenzsicherheit der Modelle. Daher ist es die Suche nach einem Modell, das einen Prozess möglichst genau beschreibt, dabei aber möglichst einfach ist, von großer Bedeutung. Bei der Modellierung besitzen die verwendeten Stoffwerte und Korrelationen (z. B. für Transportgrößen oder die Reaktionskinetik) einen großen Einfluss auf das Rechenergebnis. Um verschiedene Modelle sinnvoll miteinander vergleichen zu können, ist daher die Nutzung exakt gleicher Stoffdaten und Korrelationen in allen untersuchten Modellebenen erforderlich. In dieser Arbeit werden daher verschiedene Modellebenen unterschiedlicher Detaillierung zur Sauergaswäsche mit MDEA dargestellt und zur Simulation von Kolonnen angewendet, zu denen hinreichend vollständige experimentelle Datensätze vorliegen. Die experimentellen Daten dienen dabei der Validierung der unterschiedlichen Modellebenen.

In chemical engineering, absorption processes are used in many cases for the purpose of selective separation of one or more gas components from a multicomponent gas stream. Compared to adsorption, which uses large solid surfaces, absorption has one main advantage: i.e. a countercurrent flow of both gas stream and scrubbing liquid can be obtained easily. Thus the gas loaded liquid leaving the absorption column can directly be recycled in a desorber and used for absorption again in a continuous process. For this reason absorption processes are very widespread in industry. Absorption uses the effect that gases are soluble in liquids. Different interactions between the soluble gases and solvent components lead to different solubilities and selectivities. E.g. polar gases dissolve very well in polar solvents but non-polar gases do not. Some scrubbing liquids contain agents, which react chemically with one or more of the dissolved gas components. A process using these kinds of agents is called "chemical absorption". Because dissolved gases are partially transformed to reaction products the capacity of the solvent for these reacting components is increased significantly. Thus in chemical absorption processes, typically a high selectivity is observed. So chemical absorptions are used frequently for many kinds of industrial purposes. Aqueous alkanolamine solutions are well suited for the selective absorption of sour gases like hydrogen sulfide and carbon dioxide. Alkanolamines are mainly used to clean fuel gas or synthesis gas. The most important field for the application of alkanolamines is the purification of natural gas. In case of using the alkanolamine of type N-methyldiethanolamine (MDEA) the absorption of carbon dioxide is strongly hindered owing to a slow chemical reaction. So, MDEA is an alkanolamine especially suited for the selective removal of hydrogen sulfide from gases where the co-absorption of carbon dioxide is not economical. This is a constraint for many industrial applications. To project and optimise a chemical process effectively, the use of a mathematical simulation model is a reasonable tool. Such a simulation model helps in building a plant, revamping an existing one or calculating how an existing plant should be operated if process constraints have to be changed. In most absorption processes fast changes in composition or gas flow are quite rare. Hence for the reason of planning or optimization of absorption plants stationary process models are adequate. Equilibrium models are well known and often used in process simulation. But the use of equilibrium models is only sensible for processes, where the state variables do not differ much compared to those in case of the thermodynamic equilibrium. On the other hand for processes, where strong kinetic effects hinder the system's way to equilibrium, the classic equilibrium model fails. A special kind of these processes is the sour gas absorption with aqueous MDEA solutions, which is the example process used in this work. Because of the fast development of computer performance in the last years, the application of highly complex models is now possible. For the purpose of process simulation of a reactive separation process, the use of models with different degrees of complexity can be adequate. Usually, complex models will take more time for computing and have more difficulties in achieving the convergence. Thus the quest for a simple model, which gives good prediction, is extremely important. All the included correlations for the properties of the occurring fluids, apparatus and kinetic effects show a significant influence on the simulation results. For a proper comparison of different process models the use of exact identical correlations and properties of substances are essential. In this work, different complex process models for sour gas absorption with MDEA solutions are shown and used for simulation of plants, for which complete sets of experimental data are available. For the purpose of validation the simulation results with experimental data have to be compared.

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