Industrielle Adsorptionsprozesse: Aktivkohle & Co effizient nutzen

STZ, Oktober 2021 - Adsorptionsprozesse spielen in vielen industriellen Verfahren eine wichtige Rolle. Oftmals werden dafür überdimensionierte Systeme eingesetzt. Das führt zu einem unnötig hohen Material- und Energieverbrauch. Ein Forscherteam der Hochschule Luzern hat deshalb ein Modell und einen zugehörigen Leitfaden entwickelt. Sie helfen die Anlagen bedarfsgerecht zu dimensionieren.

Sei es die Reinigung der Luft eines Lackierwerks von Lösungsmitteln, sei es die Trocknung von Gasgemischen im Werk eines Kryoflüssigkeiten-Herstellers, sei es die Entfernung von Ammoniak aus der Luft eines Viehzuchtbetriebs: In diesen und vielen weiteren Prozessen wird aus einem Gasgemisch ein Stoff mittels Adsorption entfernt. Der Stoff lagert sich dabei an einen Feststoff (Adsorbens) an und wird später von diesem in konzentrierter Form abgetrennt und entsorgt bzw. weiterverwendet. Nicht nur in der Industrie leisten Adsorptionsverfahren wertvolle Dienste, sondern auch in der Gebäudetechnik: In Klimaanlagen wird das Verfahren eingesetzt, um die Luft zu entfeuchten und Geruchsstoffe zu entfernen. Ähnlich in der Dunstabzugshaube: Hier bindet ein Aktivkohlefilter die Küchengerüche.

Anlagen richtig dimensionieren

Obwohl Adsorber in der Industrie seit Langem weit verbreitet sind, besteht bei ihrem Einsatz häufig Verbesserungspotenzial. «Heute werden oft Adsorber eingesetzt, die für ihre Aufgabe überdimensioniert sind und sehr hohe Sicherheitsmargen aufweisen. Das verursacht nicht nur übermässige Investitionskosten, sondern verschlingt im Betrieb auch unnötig viel Energie», sagt Prof. Mirko Kleingries, ausgebildeter Maschinenbauer mit Industrieerfahrung, der heute das Kompetenzzentrum Thermische Energiesysteme und Verfahrenstechnik an der Hochschule Luzern (HSLU) leitet.

Leitfaden erlaubt strukturierte Planung

Kleingries ist Teil eines Forscherteams, das seit Jahren Sorptionsprozesse mit Blick auf ihre Anwendungs- und Optimierungsmöglichkeiten untersucht. Die Forscher haben in den vergangenen Jahren nach Wegen gesucht, dieses Einsparpotenzial zu realisieren. Im BFE-Projekt Syskon entwickelten sie ein mathematisch- physikalisches Modell zur Beschreibung von Adsorptionsprozessen, bei denen aus einem Gasgemisch ein Stoff an einem Festkörper angelagert wird. Im jüngsten Projekt mit dem Namen EESP (Empfehlungen zum energieeffizienten Einsatz von Adsorptionsprozessen aus der Gasphase) entwickelten sie einen Leitfaden, mit dem Chemie- und Verfahrensingenieure Adsorptionsanlagen planen und korrekt dimensionieren können.

Die Auslegung von Adsorptionsprozessen ist komplex, da eine Vielzahl von Einflussgrössen zu berücksichtigen ist. «Wir wollen mit unserem Leitfaden eine strukturierte Vorgehensweise anbieten, um eine optimale Konzeption von Anlagen zu ermöglichen», sagt Kleingries. Der Leitfaden umfasst zehn Schritte. Dazu gehört die Festlegung der (z. B. ökonomischen oder energetischen) Ziele, die mit dem jeweiligen Adsorptionsprozess erreicht werden sollen, aber auch aufeinander aufbauende Schritte zur technischen Umsetzung.

In zehn Schritten zum Ziel
In zehn Schritten zum Ziel Der von Forschern der Hochschule Luzern erarbeitete Leitfaden ermöglicht ein systematisches Vorgehen zur Auslegung von Adsorptionsprozessen aus der Gasphase. Die zehn Schritte sind nachfolgend in Stichworten wiedergegeben:

• Aufgabenstellung: die Kernaufgabe des Prozesses wird definiert
• Ist-Analyse: Alle verfügbaren Prozessdaten werden zusammengetragen, Parameter der Prozessführung bestimmt und die für die Anlage verfügbaren Räumlichkeiten abgeklärt.
• Zielfunktionen: Festlegung der Ziele, die mit dem Adsorptionsprozess erreicht werden sollen (z. B. tiefe Prozesskosten, geringer Energieverbrauch). 
• Sorbensauswahl: Festlegung des Adsorbens, das die vorliegende Anwendung optimal erfüllt. 
• Sorbensauswahl: Prozessdefinition: Festlegung der Prozessführung und der Bauart der Adsorptionseinrichtung einschliesslich des zugehörigen Desorptionsprozesses. 
• Modellerstellung: Erstellung eines mathematisch-physikalischen Modells zur Beschreibung des Adsorptionsprozesses. 
• Modellerstellung:Modellvalidierung: Das Modell wird validiert, dies mit Referenzfällen aus der Literatur mit angepassten Randbedingungen oder unter Verwendung von Messdaten. 
• Sensitivitätsanalyse: Alle Parameter der Anlage werden variiert und die möglichen Betriebspunkte In einem Haupteffektdiagramm und einem Wechselwirkungsdiagramm dargestellt. Auf diesem Weg werden die Parameter mit dem grössten Einfluss auf die Zielfunktion(en) und deren Wechselwirkung ermittelt. 
• Optimierung: Auf der Grundlage des vorherigen Schrittes wird unter Einbezug mathematischer Methoden bestimmt, wie die Zielfunktion(en) am besten erreicht werden kann (können). 
• Feinauslegung: Der abschliessende Schritt ist die Feinauslegung der Adsorptionsanlage.

Mit dem Leitfaden und dem Software-Tool stehen die zwei zentralen Werkzeuge für den praktischen Einsatz bereit. Das Tool ist für die beiden mit Abstand wichtigsten Adsorbertypen – Festbett- und Rotoradsorber – getestet und validiert.

 

Robust und ausreichend genau

Ein zentraler Schritt besteht in der Erstellung eines mathematisch-physikalischen Modells, das den Adsorptionsprozess quantitativ beschreibt. Hierfür kann ein Software-Werkzeug herangezogen werden, das die Wissenschaftler im Vorläuferprojekt Syskon entwickelt hatten. «Das Modell erfasst alle relevanten Wechselwirkungen des Adsorptionsprozesses ausreichend genau, und ist zugleich schnell und robust », sagt Prof. Dr. Ulf Christian Müller, der am HSLU-Kompetenzzentrum im Bereich Fluidmechanik und Thermodynamik unterrichtet. «Gegenüber auf dem Markt verfügbaren Tools, die oft sehr ausgefeilt und unflexibel sind, lässt sich unser Werkzeug dank seines modularen Aufbaus mit relativ wenig Aufwand auf eine grosse Palette von Anwendungsfällen anpassen», so Müller.

Das Modell kann nach der Validierung für die Sensitivitätsanalyse und die Optimierung des vorliegenden Adsorptionsprozesses herangezogen werden. Einzig für die Feinauslegung der Anlage, dem letzten der zehn Schritte des Leitfadens, ist das Modell nicht konzipiert. «Wer unseren Leitfaden befolgt, vermeidet eine Überdimensionierung seiner Adsorptionsanlage und entgeht so einer Gefahr, wie wir sie in der Praxis oft beobachtet haben», sagt Müller. Gestützt auf zwei praxisnahe Beispiele schätzt Müller die energetischen Einsparungen durch korrekte Dimensionierung auf 25 bis 30 Prozent. Dass solche Effizienzsteigerungen auch praktisch umsetzbar sind, wollen die Wissenschaftler der HSLU künftig mit Anwendungen ihres Modellierungs-Werkzeugs in der industriellen Praxis zeigen.

Die Qual der Wahl
Um bestimmte Stoffe aus einem Gasgemisch zu adsorbieren, stehen heute Abertausende Adsorptionsmaterialien (Adsorbentien) zur Verfügung. Diese lassen sich nach ihren Grundstoffen gruppieren in kohlenstoffhaltige Adsorbentien (z.B. Aktivkohle), oxidische Adsorbentien (z.B. Zeolithe oder Silicagel) und Polymeradsorbentien. All diese Adsorptionsmaterialien haben unterschiedliche Eigenschaften und werden für unterschiedliche Zwecke eingesetzt.
Neben der grossen Verbreitung in industriellen Prozessen kommen Adsorptionsmaterialien auch in Haushalten zum Einsatz. So nutzen Dampfabzugshauben in Küchen in der Regel Aktivkohle um unerwünschte Düfte aus der Abluft zu entfernen. Ein anderer Anwendungsfall sind Päckchen mit kleinen Kügelchen, wie sie oft Verpackungen beigelegt sind. Die Silicagel-Kügelchen sorgen für die Trocknung der Luft und verhindern so die Beeinträchtigung der verpackten Waren durch Feuchtigkeit.

 

Autor: Dr. Benedikt Vogel, im Auftrag des Bundesamtes für Energie (BFE)
Bildquelle: J.Dunlop/Climeworks
Quelle Schema: Leitfaden EESP
Artikel aus der STZ: Ausgabe Oktober 2021

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