Downcomer design in mulitstage fluidized bed systems

Abstract

Die steigende CO2 - Konzentration in der Atmosphäre bleibt auch in Zukunft ein omnipräsentes The-ma weltweit, die daraus resultierenden Gefahren für das Ökosystem somit auch. Um den Klimawan-del entgegenzuwirken werden stetig neue alternative Technologien entwickelt. Carbon capture and sequestration (CCS) ¿Technologien werden als eine der Schlüsselmaßnahmen im Kampf gegen den Klimawandel angesehen. Diesbezüglich forschen immer mehr Wissenschaftler und Universitäten an CO2- Abscheidungsprozessen, unter anderem auch die Forschungsgruppe ¿Future Energy Technolo-gy¿ an der TU Wien. Die Forschungsgruppe entwickelte in der Vergangenheit ein Reaktordesign und eine voll-integrierte Laboranlage (bench scale unit/BSU) zur Abscheidung von 35 kg CO2 /Tag aus Abgas, basierend auf einer Temperatur ¿Wechsel Adsorption. Die Adsorberkolonne der BSU wurde als mehrstufige Wirbelschicht mit 5 Stufen realisiert, welche übereinander angeordnet sind. Nach erfolgreicher Beendigung der Versuchskampagnen ist in weiterer Folge ein Scale up geplant, mit dem Ziel eine Pilotanlage zu entwerfen welche 1000 kg CO2/ Tag abscheiden kann. Um ein besseres Verständnis über den Betriebseigenschaften der Pilotanlage zu erhalten, wurde ein Kaltmodell der Pilotanlage an der Technischen Universität Wien entworfen und gebaut. Eine Vielzahl von Versuchen wurde an diesem Kaltmodel durchgeführt, um die Zusammenhänge zwischen den Downcomer und dem Materialfluss, bezogen auf die Downcomer-querschnittfläche, zu untersuchen. Diese Arbeit stellt die Ergebnisse der Versuche dieser Kaltmodelkampagne vor. Die Parameter, we l-che variiert wurden, sind unter anderem die Fluidisierung innerhalb der Downcomer, die Eintauchtiefe der Downcomer in das darunterliegende Wirbelschichtbett, sowie die Geometrie der Downcomer selbst. In weiterer Folge wurde neben internen Downcomer auch externe Downcomer untersucht. Aus der Versuchskampagne für interne Downcomer wurde geschlossen, dass bei einer Reduzierung des Gasflusses durch die Downcomer, höhere Materialflüsse, bei identer Downcomer-querschnittfläche, erreicht werden können. Durch Anpassung der Geometrie und der dadurch resul-tierenden Reduzierung der Wandreibungseffekte, konnten auch höhere Materialflüsse, bei identer Downcomerquerschnittfläche, erreicht werden. Zuletzt, dass durch die Reduzierung der Eintauchtiefe der internen Downcomer, höhere Materialflüs-se, bei identer Downcomer-querschnittfläche, erreicht werden können. Aus der Versuchskampagne für externe Downcomer wurde geschlossen, dass höhere Werte für den Materialfluss pro Strömungs-fläche erreicht werden können als bei Versuchen mit internen Downcomer. Jedoch benötigen externe Downcomern eine zusätzliche Fluidisierung, was zu zusätzlichen Kosten bei der Implementierung in die Pilotanlage führen kann. Welches Design der Downcomern schlussendlich für die geplante Anlage verwendet wird, hängt von vielen Faktoren ab, wie beispielsweise: Kosten, Platzbedarf sowie der Handhabung im Prozess. Die Festlegung und Wahl der verwendeten Downcomer Design für die geplante Pilotanlage war nicht das Augenmerk dieser Arbeit. Eine empfehlenswerte Lösung wäre jedoch die Installation von externen Downcomern in der Adsorber-Kolonne, wobei interne Downcomern für die Desorber-Kolonne vorteilhaft wären.

In the past years the climate change resulting from the emission of greenhouse gases, especially CO2, has become an omnipresent issue and also the risks of global warming for people, economies as well as the ecosystems across sector and regions. More and more measures are being defined and new technologies developed to counter this problem. Carbon capture and sequestration technologies (CCS) are seen as one of the key measures to counteract the ongoing climate change. For this reason, more and more scientists and universities worldwide are working on the development of CCS technologies, including the research group "Future Energy Technology" at the Vienna University of Tech-nology. At the Institute of Chemical Engineering, TU Wien, a fully integrated temperature swing ab-sorption bench scale unit (TSA-BSU) for continuous capture of about 35 kg of CO2 per day was de-signed, constructed and put into operation. It is based on a dual multistage fluidized bed system, whereby 5 stages were built on top of each other in the adsorber and the desorber column. After successful operation of the constructed bench scale unit, the feasibility of the proposed double loop multi-stage fluidized bed system via temperature swing adsorption was proved. The next planned step of the, is the process scale-up to pilot scale with the development of a pilot unit (PSU) for con-tinuous capture of about 1000 kg of CO2 per day. Therefore, a cold flow model study was conducted in order to de-risk and improve the reactor design from a fluid- dynamic point of view, especially, the downcomers in the adsorber column. The present work contributes partly to the elaboration of a suitable reactor design for the planned pilot unit. Overall scope of this work was to study the oper-ability of different downcomer configurations within multi-stage fluidized bed columns by determi-nation of the solid flux as a reference. These design variations included tests with internal and exter-nal (aerated) downcomers. These variations included the varation of the entrance height between the downcomer and lower stage, geometry of the downcomer as well as the applied area of several downcomers. Furthermore, experiments with external downcomers were carried out to investigate a possible application of them on the planned PSU. The experimental campaign, carried out in the first half of 2016, is analyzed. In conclusion, the results of the experiments with internal downcomers can be expressed as follows. The maximum possible solid flux within the process changes in the following way relative to the mentioned operating pa-rameters. Through reduction of the fluidization within the downcomer, an increase of the maximum possible solid flux is resulting. A higher entrance height between the downcomer and lower stage, results in a higher maximum possible solid flux. Through variation of the geometry with regard to the length and width, and thus reducing the wall friction effects, a higher maximum possible solid flux is reached. For external downcomers a higher solid flux was determined compared to internal ones. One aspects that should been considered, is the required aeration of external downcomer. Comparing between the two different downcomer designs it is clear to see that choice of the used downcomer design leading to both, advantages and disadvantages. Which downcomer design is final-ly used in the PSU depends on many factors: costs, space requirements, handling and implementa-tion. A recommended solution is the installation of of internal downcomers in the desorber column and external downcomers in the adsorber column.