Experimentelle Charakterisierung einer zweistufigen Water-Gas-Shift Versuchsanlage durch Methoden der statistischen Versuchsplanung

Abstract

Die Methodik der statistischen Versuchsplanung ermöglicht es, den Einfluss mehrerer Faktoren und deren Interaktionen auf ausgewählte Zielgrößen mit einer vergleichsweise geringen Anzahl experimenteller Versuche systematisch zu erfassen und mathematisch zu beschreiben, weshalb sie in vielen naturwissenschaftlichen Feldern Anwendung findet. Im Rahmen der Erzeugung von Wasserstoff aus Produktgas stellt die Wassergas-Shift-Reaktion einen wesentlichen Prozessschritt dar, bei dem CO und H2O zu H2 und CO2 umgesetzt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine zweistufige Wassergas-Shift-Versuchsanlage mithilfe der statistischen Versuchsplanung experimentell zu charakterisieren und in diesem Rahmen deren Möglichkeiten und Grenzen aufzuzeigen. Gleichzeitig wurden die statistischen Grundlagen und die praktische Vorgehensweise aufbereitet, um die Methodik als Werkzeug für zukünftige experimentelle Untersuchungen im Bereich der Verfahrens- und Energietechnik etablieren zu können.Zur Charakterisierung der Versuchsanlage wurde ein statistischer Versuchsplan erarbeitet, in dem die Eintrittstemperaturen der Reaktoren, der CO- und H2O-Gehalt des Eintrittsgases sowie die Raumgeschwindigkeit als Einflussfaktoren variiert wurden. Es wurden 15 Versuchspunkte mit synthetischen Gasmischungen durchgeführt, eine Validierung der erfassten Versuchsdaten erfolgte durch Schließen der Stoffmengenbilanzen. Auf Grundlage dieser validierten Daten erfolgten die statistischen Modellierungen des Prozesses durch Ziehen der Bilanzgrenzen um die gesamte Versuchsanlage sowie um die einzelnen Reaktoren.Die Modellierung zeigte die wesentlichen Zusammenhänge zwischen den untersuchten Prozessparametern und deren Einfluss auf den Umsatz an CO als ausgewählte Zielgröße. Für den ersten Reaktor konnte dabei ein Modell hergeleitet werden, welches eine aussagekräftige Beschreibung des Prozessverhaltens ermöglicht. Obwohl diese Modellierung auf statistischen Methoden basiert, spiegelt sie bekannte Zusammenhänge bezüglich thermodynamischer und kinetischer Limitierungen der Wassergas-Shift-Reaktion wider. Die getrennte Modellierung der beiden Reaktoren erlaubte darüber hinaus eine differenzierte Betrachtung der jeweiligen Einflussgrößen. Die ermittelten Modelle wurden schließlich in numerischer Form dargestellt, womit sie zur Festlegung weiterer Versuchs- und Betriebspunkte dienten.Mittels zusätzlicher Versuchs- und Betriebspunkte wurde die praktische Anwendbarkeit der gefundenen Modelle untersucht. Bei einem weiteren Versuchspunkt mit synthetischer Gasmischung, durchgeführt in Analogie zur restlichen Versuchsreihe, zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Werten und den Modellprädiktionen. Darüber hinaus fanden die Ergebnisse Anwendung bei der Auslegung von Betriebspunkten mit realem Produktgas und bei der Festlegung initialer Betriebsparameter im Rahmen der Heiß-Inbetriebnahme einer Demonstrationsanlage in vergrößertem Maßstab. Dabei konnten gleichzeitig die Beschränkungen der Modellierungen bei Anwendung außerhalb des untersuchten Versuchsraums und damit die Grenzen der Methodik insgesamt aufgezeigt werden.Die Arbeit fasst damit die praktische Eignung der Methodik der statistischen Versuchsplanung zur systematischen Planung, Auswertung und Modellierung experimenteller Untersuchungen zusammen und stellt eine Grundlage für deren weitere Anwendung in der Forschungsgruppe und darüber hinaus dar.

The methodology of Design of Experiments (DoE) allows the systematic investigation of the influence of several factors and their interactions on selected responses and their mathematical description with a comparatively small number of experimental runs. For this reason, it is used in many fields of the natural sciences. In the production of hydrogen from product gas, the Water-Gas Shift reaction represents an important process step in which CO and H2O are converted to H2 and CO2. The aim of this thesis was to experimentally characterise a two-stage Water-Gas Shift test rig using Design of Experiments and to demonstrate its possibilities and limitations by doing so. At the same time, the statistical fundamentals and the practical procedure were summarized in a way that allows the methodology to be established as a tool for future experimental investigations in the field of process and energy engineering.For the characterisation of the test rig, a statistical experimental design was developed in which the reactor inlet temperatures, the CO and H2O content of the inlet gas, and the gas hourly space velocity were varied as influencing factors. A total of 15 experimental runs were carried out using synthetic gas mixtures, and the recorded experimental data were validated by closing the molar balances. Based on the validated data, statistical models were developed by defining system boundaries around the complete test rig as well as around the individual reactors.The modelling revealed the main relationships between the investigated process parameters and their influence on the conversion of CO as the selected response. For the first reactor, a model could be derived that gives a meaningful description of the process behaviour. Although the model is based on statistical methods, it also reflects known thermodynamic and kinetic limitations of the Water-Gas-Shift reaction. The separate modelling of the two reactors also made it possible to investigate their influencing factors individually. The resulting models were finally expressed in numerical form and were subsequently used to define further experimental and operating points.The practical applicability of the derived models was investigated using additional experimental and operating points. For an additional experimental point with a synthetic gas mixture, carried out in the same manner as the previous experimental campaign, very good agreement was found between the experimentally determined values and the model predictions. Furthermore, the results were used to define operating points using real product gas and to define initial operating parameters during the hot commissioning of a demonstration plant on a larger scale. At the same time, the investigations showed the limitations of the models when they are applied outside the experimental space and therefore also demonstrated limitations of the methodology.The thesis therefore demonstrates the practical suitability of Design of Experiments for the systematic planning, evaluation and modelling of experimental investigations and provides a basis for its further application within the research group and beyond.