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Virtuelle, Mikroplant-gestützte Prozessentwicklung am Beispiel eines Mikro-Dampfreformers

Kazdal, Timur, J. (2019):
Virtuelle, Mikroplant-gestützte Prozessentwicklung am Beispiel eines Mikro-Dampfreformers.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009691,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Virtuelle, Mikroplant-gestützte Prozessentwicklung am Beispiel eines Mikro-Dampfreformers
Language: German
Abstract:

Die virtuelle Prozessentwicklung ist eine simulationsgestützte Auslegungsmethodik. Sie basiert auf Mehr-Skalen-Simulationen. So wird der Prozess als Ganzes, sowie der einzelne Apparat im Detail konstruiert, modelliert und berechnet. Durch die Wechselwirkung der beiden Ebene steigt das Prozessverständnis und Rückkopplungseffekte können frühzeitig erkannt werden. In dieser Arbeit wird die virtuelle Verfahrensentwicklung angewendet, um eine dezentrale, hocheffiziente Kleinst-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage zu projektieren. Die Motivation liegt in der Reduktion des Kohlenstoff-Fußabdruckes durch bedarfsgerechte Stromproduktion mit maximierter Brennstoffausnutzung durch den Einsatz effizienter Energiewandlungstechnologie, sowie der Nutzung der Abwärme zur anteiligen Deckung des Heizbedarfs. Auf der Funktionsebene werden zunächst notwendige Operationen identifiziert, um Methan über eine Brennstoffzelle in elektrische Energie zu wandeln. Hierauf aufbauend werden auf der Prozessebene unterschiedliche Varianten der Anlage konzipiert und modelliert. Für jede Prozessvariante werden Verfahrensfließbild und Wärmeübertragernetzwerk erstellt und eine Exergie-Analyse durchgeführt. Die Ergebnisse der Prozessebene werden als Exergie-Sankey-Diagramme dargestellt. Sensitivitätsanalysen werden unterstützend eingesetzt, um den Einfluss von Prozessparametern auf den gesamt-exergetischen Wirkungsgrad zu untersuchen. Schließlich liefert die Prozesssimulation auch das Anforderungsprofil der einzelnen Prozessschritte und somit die Grundlage der Apparate-Dimensionierung. Auf der Bauartebene werden räumlich und zeitlich aufgelöste Simulationen der chemischen Reaktionen in durchströmten Mikroreaktoren erstellt. Von besonderem Interesse ist dabei der Wärmeübergang von einer exothermen Reaktion als Wärmequelle auf eine endotherme Reaktion als Senke. Verbesserungen im Vergleich zu konventionellen Mikroreaktoren im Platten-Design wurden durch eine Mikro-Rohrbündel-Lösung erreicht. Diese sorgt für einen gleichmäßigen radialen Wärmedurchgang und schränkt dabei gleichzeitig den axialen Wärmeverlust ein. Wie bei konventionellen Mikroreaktoren wird auch hier der geringe Wirksamkeitsfaktor des Katalysators deutlich gesteigert. Bei der in dieser Arbeit entwickelten Lösung wird allerdings viel weniger Reaktormaterial eingesetzt. Durch die geringe (thermische) Masse werden nicht nur Regelbarkeit und Kaltstartverhalten verbessert, sondern auch die Materialkosten gesenkt. Auf der Prozess- sowie der Bauartebene wurden mehrere Verbesserungspotentiale identifiziert und patentrechtlich geschützt. So wurden beispielsweise rekuperative Hochtemperatur-Wärmeübertrager in die Mikroreaktorstruktur integriert. Um die strömungsdynamischen Simulationen zu validieren, wird ein Versuchsaufbau konstruiert und gefertigt. Dieser besteht aus einem Ein-Kanal-Mikroreaktor, dessen Katalysator-Beschichtung leicht zu wechseln ist (Mikroplant). Die Oxidation von Methan und Wasserstoff, sowie die Reformierung von Methan wird an Edelmetallen, wie Platin und Palladium, und Nickel untersucht und die Machbarkeit so prinzipiell gezeigt. Erste Prototypen wurden durch selektives Laserschmelzen gefertigt und eine Kostenschätzung erstellt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Virtual process development is a simulation-based design methodology, utilizing multi-scale simulations. The process as a whole and the individual apparatus are designed, modeled and calculated in detail. The interaction of the two levels increases process understanding and interactions can be recognized during early design stage. In this thesis, the virtual process development is used to project a decentralized, highly efficient micro combined heat and power plant. The motivation is the reduction of the carbon intensity through demand-based electricity production with maximized fuel utilization through the use of efficient energy conversion technology, as well as the use of the waste heat to cover the heating requirements partly. On the functional level, the necessary operations are first identified to convert methane into electrical energy via a fuel cell. Building on this, different plant variants are designed and modeled at the process level. For each process design, the process flow diagram and heat exchanger network are created and an exergy analysis is carried out. The results of the process level are shown as Exergy-Sankey diagrams. Sensitivity analyses are used to support the understanding of the influence of process parameters on the overall exergetic efficiency. Finally, the process simulation also supplies the requirements profile of the individual process steps and thus the basis for the dimensioning of the apparatus. On the design level, spatially and temporally resolved simulations of the chemical reactions in flows through microreactors are created. The heat transfer from an exothermic reaction as a heat source to an endothermic reaction as a sink is of particular interest. Improvements compared to conventional microreactors in plate design have been achieved with a micro tube bundle solution. This ensures an even radial heat transfer and at the same time limits the axial heat loss. As with conventional microreactors, the low efficiency factor of the catalyst is increased significantly. In the solution developed in this work, however, much less reactor construction material is used. The low (thermal) mass not only improves controllability and cold start behavior, but also reduces material costs. On the process and construction level, several improvement potentials were identified and protected under patent law. For example, recuperative high-temperature heat exchangers have been integrated into the microreactor structure. In order to validate the fluid dynamics simulations, a test setup is designed and manufactured. This consists of a single-channel microreactor with a catalyst coating which is easy to change (microplant). The oxidation of methane and hydrogen, as well as the reforming of methane is studied on precious metals, such as platinum and palladium, and nickel. Feasibility could be demonstrated in principle. The first prototypes were produced by selective laser melting and a cost estimate was created.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Chair of Thermal Process Engineering (TVT)
16 Department of Mechanical Engineering > Chair of Thermal Process Engineering (TVT) > Micro Process Engineering
Date Deposited: 17 Dec 2019 11:56
Last Modified: 09 Jul 2020 02:59
DOI: 10.25534/tuprints-00009691
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-96919
Referees: Hampe, Prof. Dr. Manfred J. and Kabelac, Prof. Dr. Stephan
Refereed: 18 December 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9691
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