Experimental and Numerical Investigation of the Absorption Process in Polygeneration

Polygeneration plants play an important role in environmental and energy issues. Polygeneration plants are built to produce chemical products such as petroleum products like naphtha and diesel, or to generate electricity in parallel. The importance of polygeneration plants has increased with the continuous increase in energy demand, as their numerous advantages contribute significantly to the flexibility of chemical products or energy supply and their thermodynamic efficiency is higher than that of single product systems. The absorption process is considered essential in polygeneration plants, as it removes harmful gases such as acid gas from the produced syngas. The absorption process is usually designed for steady-state operation. However, operating the absorption process varies over time. Sometimes, this is due to the change in load, startup, or shutdown. The study of the unsteady state of the absorption process due to load changes is interesting because it helps to reconsider design issues or improve the behavior of the absorption process during the unsteady state. In this work, the background of the main processes in the Polygeneration plant was presented. A laboratory-scale absorber test rig was built at the Institute of Energy Systems and Technology (EST) at Technical University of Darmstadt. The absorber test rig was commissioned to verify that it operates safely and meets the experimental requirements for which it was built. The steady-state and the dynamic state of the absorption process were conducted in the absorber test rig. The models of the absorption process are presented. A simulation of the absorption process was performed using Aspen PLUS and Aspen PLUS Dynamics simulation programs. The simulation results were validated with the experimental results. It was found that the different load changes and the different change rates of the gas and solvent have a significant effect on the acid gas concentration at the outlet of the absorber. The correlation between the behavior of the absorber during the transient state and the hydrodynamic properties of the sieve tray was investigated. It was found that the hydrodynamic properties of the sieve tray have a significant influence on the performance of the absorber during the transient state. Finally, the conclusion and the outlook were presented.

Polygenerationsanlagen spielen eine wichtige Rolle in Umwelt- und Energiefragen. Polygenerationsanlagen werden gebaut, um chemische Produkte wie Erdölprodukte wie Naphtha und Diesel zu produzieren oder um parallel dazu Strom zu erzeugen. Die Bedeutung von Polygenerationsanlagen hat mit dem kontinuierlichen Anstieg des Energiebedarfs zugenommen, da ihre zahlreichen Vorteile erheblich zur Flexibilität der chemischen Produkte oder der Energieversorgung beitragen und ihr thermodynamischer Wirkungsgrad höher ist als der von Einzelproduktsystemen. Der Absorptionsprozess wird in Polygeneration-Anlagen als wesentlich angesehen, da er schädliche Gase wie saures Gas aus dem erzeugten Synthesegas entfernt. Der Absorptionsprozess ist in der Regel für einen stationären Betrieb ausgelegt. Der Betrieb des Absorptionsprozesses variiert jedoch im Laufe der Zeit. Manchmal ist dies auf Änderungen der Beladungen, das Anfahren oder das Abschalten zurückzuführen. Die Untersuchung des instationären Zustands des Absorptionsprozesses aufgrund von Belastungsänderungen ist interessant, weil sie dazu beiträgt, Konstruktionsfragen zu überdenken oder das Verhalten des Absorptionsprozesses während des instationären Zustands zu verbessern. In dieser Arbeit wurde der Hintergrund der Hauptprozesse in einer Polygeneration-Anlage vorgestellt. Ein Absorberprüfstand im Labormaßstab am Institut für Energiesysteme und Energietechnik der Technische Universität Darmstadt aufgebaut wurde. Der Absorberprüfstand wurde in Betrieb genommen, um zu überprüfen, ob er sicher funktioniert und die experimentellen Anforderungen erfüllt, für die er gebaut wurde. Der stationäre und der dynamische Zustand des Absorptionsprozesses wurden im Absorberprüfstand durchgeführt. Die Modelle des Absorptionsprozesses werden vorgestellt. Eine Simulation des Absorptionsprozesses wurde mit den Simulationsprogrammen Aspen PLUS und Aspen PLUS Dynamics durchgeführt. Die Simulationsergebnisse wurden mit den experimentellen Ergebnissen abgeglichen. Es wurde festgestellt, dass die unterschiedlichen Beladungswechsel und die unterschiedlichen Wechselraten des Gases und des Lösungsmittels einen erheblichen Einfluss auf die Sauergaskonzentration am Ausgang des Absorbers haben. Die Korrelation zwischen dem Verhalten des Absorbers im Übergangszustand und den hydrodynamischen Eigenschaften der Siebboden wurde untersucht. Es wurde festgestellt, dass die hydrodynamischen Eigenschaften der Siebboden einen signifikanten Einfluss auf die Leistung des Absorbers während des Übergangszustands haben. Abschließend wurden die Zusammenfassung und der Ausblick vorgestellt.