Simulation von Adsorptionsprozessen mit Hilfe von OpenFOAM

Abstract

Die Visualisierung von Wärme- und Stoffübergang des Adsorptionsprozesses in Adsorptionsapparaten ist von großer Bedeutung für industrielle Anwendungen. Für die industrielle Auslegung von Adsorbern werden derzeit in gängigen Prozesssimulationsprogrammen oft nur Black-Box beziehungsweise eindimensionale Modelle und Erfahrungswerte verwendet. Für eine Verbesserung des Abscheidegrades und einer besseren Adsorbensausnutzung, sowie einer Reduktion der Betriebskosten ist Wissen über die Vorgänge im Adsorber von Bedeutung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Solver für Strömungssimulationen entwickelt, der die Transportprozesse an einer makroskopisch betrachteten adsorbierenden Oberfläche simulieren kann. Ebenfalls wurde in dieser Arbeit eine Validierung des Solvers vorgenommen. Der erstellte Solver adsorpFoam kann an beliebigen Oberflächen in den Rechendomain adsorptive Eigenschaften aufprägen und den Wärme- und Stoffübergang bei laminaren und turbulenten Strömungen simulieren, auch können parallel dazu chemische Reaktionen betrachtet werden. Durch den entwickelten Solver adsorpFoam können in Zukunft Problemstellungen mit ungünstigen Strömungen, unzureichendem Wärme- und Stoffübergang und lokale Phänomene in Adsorptionsprozessen analysiert und gelöst werden. Bisher war viel Erfahrung für eine gute strömungstechnische Auslegung notwendig. Die Entwicklung des Solver adsorpFoam basiert auf den Strömungssimulationsprogramm OpenFOAM, welches unter der GPL-Lizenz (General-Public-License) frei zugänglich gemacht wurde. Es bietet sich aufgrund seines modularen Aufbaus und seiner freien Lizenzbedingungen an. Aus der Bibliothek von OpenFOAM wurde der Solver reactingFoam ausgewählt und nach den gesetzten Ansprüchen modifiziert. Die vorgenommenen Modifikationen werden im Rahmen dieser Arbeit gezeigt und erklärt. Es wurde des Weiteren eine Untersuchung hinsichtlich einer Optimierung der Zellengröße für das Rechengitter durchgeführt, wobei aber zusätzliche beeinflussende Simulationsparameter identifiziert wurden, die in Folgearbeiten noch detaillierter untersucht werden müssen. Durch eine Validierung anhand von experimentellen Daten konnte gezeigt werden, dass die durchgeführte Modifizierung von reactingFoam und durch die Wahl eines geeigneten Adsorptionsmodells vertrauenswürdige Ergebnisse für Adsorptionsvorgänge erzielt werden können. Die Validierung des Solver wurde mittels eines Vergleiches von Simulationsergebnissen mit gemessenen Daten aus einer thermogravimetrischen Analyse vorgenommen. Im Rahmen dieser Analyse wurde die Adsorption von CO2 an Aktivkohle experimentell ermittelt und ausgewertet. Für die Validierung war die Anpassung eines geeigneten Adsorptionsmodells notwendig. Aus den Messwerten des thermogravimetrischen Analyse Verfahrens wurde ein Henry Modell zur Beschreibung des Gleichgewichtsmodells und ein Modell zweiter Ordnung zur Beschreibung der Reaktionskinetik erstellt. Die Abweichung der simulierten Werte von den experimentellen Werten liegt in der Größenordnung von weniger als 6%. Der entworfene Solver adsorpFoam dient als ausgezeichnete Grundlage für weitere Entwicklungsschritte. In Folgearbeiten wäre eine Betrachtung der Auswirkung der Wärmetönung auf die Stoffübertragungsrate, sowie eine Implementierung von porösen Medien ein guter Anschlusspunkt, um künftig industrielle Adsorptionsprozesse besser beschreiben zu können.

The visualization of the heat and mass transfer in adsorption systems is very important for industrial applications. In the industrial designs often chemical engineering process simulation tools are used, these tools often use black box models and empirical assumptions. For improving the grade of separation and utilization of the adsorption agent, as well as for reducing maintenance costs, a better understanding of the adsorption system and its processes is necessary. The scope of this thesis comprises the development of a solver for handling transport phenomena on a macroscopic adsorbing surface. Within this thesis the developed solver was also validated. The developed solver adsorpFoam simulates the heat- and mass transfer of the adsorption process on any adsorption surface defined in the domain. In addition the solver can handle conventional reactions for laminar and turbulent flow. Till now lots of experience was needed to design adsorption processes, but by using adsorpFoam, problems with unfavorable flows, poor flows in packed beds, poor heat and mass transfer and local phenomena in adsorption processes can be analyzed and solved. The solver adsorpFoam was developed based on OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) a computational fluid dynamics code which was published under General-Public-License. OpenFOAM was chosen because of being free, open source and having a modular structure. The solver adsorpFoam was modified on the base of reactingFoam, an OpenFOAM standard solver. The performed modifications are shown and explained as a part of this work. An analysis of an appropriate mesh size was carried out and influencing simulation parameters were discovered. It was concluded, that the definition of a good cell resolution needs some further investigations. By validation with experimental data it could be shown that the implemented modifications to reactingFoam and the chosen adsorption model deliver trustable results for macroscopic simulations of adsorption processes. This validation was accomplished by a comparison of experimental data from thermo gravimetric analysis (TGA) to data determined by a simulation of the thermo gravimetric equipment. In this thermogravimetric analysis the adsorption of CO2 on activated carbon was carried out. From the measured data a Henry adsorption model and a second-order kinetic model was fitted. A difference less than 6 percent between simulated compared to experimental results was achieved. The created solver adsorpFoam is an excellent starting point for further development steps. In future work a more precise look at the influence of the adsorption heat on the mass transfer as well as an implementation of porous adsorbent can be a good basis for a better simulation of industrial adsorption processes.