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Der Anstieg der Rechenkapazitäten hat verbesserte Modellierungs- und Simulationsmöglichkeiten für chemische Prozesse ermöglicht. Die numerische Strömungsmechanik (CFD) ist ein nützliches Werkzeug, um die Leistung eines Prozesses nach geometrischen und betrieblichen Veränderungen zu untersuchen. CFD eignet sich für die Ermittlung der Hydrodynamik in Prozessen mit komplexer Geometrie, in denen chemische Reaktionen sowie Wärme- und Stoffübergänge stattfinden. CFD hat in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit von Forschern erhalten. Dieses Buch enthält 11 Manuskripte, die in verschiedenen MDPI-Zeitschriften veröffentlicht wurden.
Zusammenfassung Kapitel 1: Wasserstoff könnte ein vielversprechender Ausgangsbrennstoff sein und wird oft als sauberer Energieträger betrachtet, da er aus Ethanol hergestellt werden kann. Die Verwendung von Ethanol bietet mehrere Vorteile, denn es ist ein erneuerbarer Rohstoff, leicht zu transportieren, biologisch abbaubar, hat eine geringe Toxizität, enthält einen hohen Wasserstoffgehalt und ist einfach zu lagern und zu handhaben. Die Reformierung von Ethanoldampf erfolgt im Vergleich zu anderen Kohlenwasserstoffbrennstoffen bei relativ niedrigen Temperaturen und wurde aufgrund der hohen Ausbeute bei der Bildung von Wasserstoff umfassend untersucht. In dieser Arbeit wurde ein neues Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationsmodell für die Ethanol-Dampfreformierung (ESR) entwickelt. Das Modell des Reformierungssystems besteht aus einem Ethanolbrenner und einem katalytischen Bettreaktor. Das flüssige Ethanol wird in der Brennkammer verbrannt, dann wird der Strahlungswärmestrom vom Brenner auf den Katalysatorbettreaktor übertragen, um das Ethanoldampfgemisch in Wasserstoff und Kohlendioxid umzuwandeln. Das vorgeschlagene Berechnungsmodell besteht aus zwei Phasen – der Simulation des Ethanolbrenners mit der Software Fire Dynamics Simulator (FDS) (Version 5.0) und einer Multiphysik-Simulation des Dampf-Reformierungsprozesses im Reformer. Für diese Arbeit wurde die COMSOL Multiphysik-Software (Version 4.3b) verwendet. Sie löst gleichzeitig die Gleichungen für Flüssigkeitsströmung, Wärmeübertragung, Diffusion mit chemischer Reaktionskinetik und Strukturanalyse. Es wird gezeigt, dass die vom Ethanolbrenner erzeugte Wärmefreisetzungsrate den erforderlichen Wärmestrom für die Aufrechterhaltung des Reformierungsprozesses liefern kann. Es wurde festgestellt, dass die Massenanteile der Wasserstoff- und Kohlendioxidmasse entlang der Reformerachse zunehmen. Der Wasserstoffmassenanteil steigt mit der Erhöhung des Strahlungswärmestroms. Es wurde gezeigt, dass die Von-Mises-Spannungen mit den Wärmeströmen zunehmen. Auch Sicherheitsfragen bezüglich der strukturellen Integrität des Stahlmantels werden angesprochen. Diese Arbeit zeigt deutlich, dass durch die Verwendung von Ethanol, das eine geringe Temperaturumwandlung aufweist, die strukturelle Festigkeit des Stahlrohrs nur geringfügig abnimmt. Die numerischen Ergebnisse zeigen deutlich, dass unter normalen Bedingungen der Ethanol-Reformierung (die Temperatur des Stahls beträgt etwa 600 °C oder 1112 °F) die Bruchzeit der HK-40 Stahllegierung erheblich ansteigt. In diesem Fall beträgt die Bruchzeit mehr als 100.000 Stunden (mehr als 11,4 Jahre).
[1] CFD-Simulation eines Ethanol-Dampfreformierungssystems für die Wasserstoffproduktion. ChemEngineering 2018, 2, 34. https://lnkd.in/dffFk4fs
Zusammenfassung Kapitel 2: Verschiedene Arten von Explosionen werden durch die innere Energie angetrieben, die sich in komprimiertem Gas oder überhitzter Flüssigkeit ansammelt. Ein bekanntes Beispiel für eine solche Explosion ist das Bersten eines Behälters mit druckverflüssigter Substanz, bekannt als Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion (BLEVE). Ein heißer BLEVE-Unfall wird hauptsächlich durch die direkte Erhitzung (Pool- oder Strahlfeuer) des Stahlmantels auf der Dampfseite des Tanks auf Temperaturen von über 400 °C verursacht. Eine Wärmedämmung um den Tank herum kann die übermäßige Erhitzung der Tankummantelung bei einem Brand erheblich reduzieren und verzögern. Dadurch bleibt den Feuerwehrleuten genügend Zeit, den Unfallort zu erreichen und den LPG-Tank (Liquid Petroleum Gas) zu kühlen, um den BLEVE zu vermeiden, das Feuer zu löschen oder die Menschen in der Nähe des Unfalls zu evakuieren. Der vorgeschlagene Algorithmus befasst sich mit mehreren Aspekten des BLEVE-Unfalls und seiner Abschwächung: Computational Fluid Dynamic (CFD) Simulation des Jet-Brandes mit der Fire Dynamics Simulator (FDS) Software unter Verwendung der Large Eddy Simulation (LES); Berechnung der konvektiven und radiativen Wärmeströme unter Verwendung der Theorie des auftreffenden Jet-Brandes; Durchführung einer thermochemischen und Wärmeübertragungsanalyse der glasgewebten Vinylesterbeschichtung des Behälters mit der FDS Software (Version 5); und COMSOL Multiphysics (Version 4.3b) während der Erhitzungsphase des Verbundstoffs und die Berechnung der Zeitspanne, die für die Verdampfung des verflüssigten Propans erforderlich ist, unter Verwendung des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.
[2] CFD-Simulation und Entschärfung von Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion (BLEVE), verursacht durch Jet Fire. ChemEngineering 2019, 3, 1. https://www.mdpi.com/2305-7084/3/1/1
Zusammenfassung Kapitel 3: Levulinsäure (LA) wurde vom US-Energieministerium als einer der „Top 10“ Bausteine für zukünftige Bioraffinerien vorgeschlagen. Sie gilt als eines der wichtigsten Plattformmoleküle für die Herstellung von Feinchemikalien und Kraftstoffen, da sie mit bestehenden Prozessen kompatibel ist, wirtschaftlich ist und als Plattform für die Synthese wichtiger Derivate dienen kann. Die Hydrierung von LA zur Herstellung von γ-Valerolacton (GVL) ist ein aktives Forschungsgebiet aufgrund des Potenzials von GVL, als eigenständiger Biokraftstoff und für die anschließende Umwandlung in Kohlenwasserstoffkraftstoffe verwendet zu werden. Dieser Artikel enthält einen neuen Entwurf für einen einfachen, kostengünstigen und sicheren Hydrierungsreaktor für die Umwandlung von Lävulinsäure in γ-Valerolacton (GVL) unter Verwendung einer organischen Flüssigkeit mit hohem Siedepunkt. Der Hydrierungsreaktor besteht aus einer Heizquelle – einer organischen Flüssigkeit (genannt „DOWTHERM A“ oder „thermex“) – und dem katalytischen Reaktor. Die Vorteile von Flüssigkeiten mit hoher Siedetemperatur sowie die Fortschritte bei den Hydrocracking- und Reforming-Technologien, die von der Öl- und Gasindustrie vorangetrieben werden, machen das organische Konzept für die Beheizung des Hydrierungsreaktors geeigneter und sicherer (Wasser, das mit flüssigem Metall in Berührung kommt, gilt in der metallurgischen Industrie als Gefahr einer Dampfexplosion). Die COMSOL Multiphysik-Software Version 4.3b wurde in dieser Arbeit eingesetzt und löst gleichzeitig die Kontinuitäts-, Navier-Stokes- (Flüssigkeitsströmung), Energie- (Wärmeübertragung) und Diffusionsgleichungen mit chemischer Reaktionskinetik. Es wurde gezeigt, dass der von der organischen Flüssigkeit DOWTHERM A gelieferte Wärmestrom den notwendigen Wärmestrom für die Aufrechterhaltung des Hydrierungsprozesses liefern kann. Es wurde festgestellt, dass die Massenanteile von Wasserstoff und Lävulinsäure entlang der Reaktorachse abnahmen. Die GVL-Massenfraktion nahm entlang der Reaktorachse zu.
[3] CFD Design of Hydrogenation Reactor for Transformation of Levulinic Acid to γ-Valerolactone (GVL) by using High Boiling Point Organic Fluids. ChemEngineering 2019, 3, 32. https://lnkd.in/daHnvenT
Zusammenfassung Kapitel 4: Es wurde ein fortschrittlicher Algorithmus entwickelt, um die Leistung des Wiederaufkochungsprozesses von Rohöl, das in den Rohren des Reboilers fließt, zu analysieren. Das vorgeschlagene Modell besteht aus einem Heptan-Brenner und einer Rohranordnung. Der vom Brenner erzeugte Wärmestrom wird auf das in den Rohren fließende Rohöl übertragen. Das Berechnungsmodell besteht aus zwei Phasen – der Simulation des Feuers mit der Software Fire Dynamics Simulator (FDS) Version 5.0 und der Berechnung des Siedepunkts des Rohöls. Der FDS-Code wurde auf der Grundlage von CFD (Computational Fluid Dynamics) der Feuerheizung formuliert. Die thermophysikalischen Eigenschaften (wie z.B. Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Oberflächenspannung, Viskosität) des Rohöls wurden mit Hilfe empirischer Korrelationen geschätzt. Die thermische Wärmeübertragung auf das verdampfende zweiphasige Rohölgemisch durch Blasenbildung an der Wand (nukleares Sieden) wurde mit Hilfe der Chen-Korrelation berechnet. Es wurde angenommen, dass sich der gesamte konvektive Wärmeübertragungskoeffizient aus dem konvektiven Koeffizienten für das Keimsieden und dem erzwungenen turbulenten konvektiven Koeffizienten zusammensetzt. Ersterer wird mit der empirischen Gleichung von Forster Zuber berechnet. Der letztere wird anhand der Dittus-Boelter-Beziehung berechnet. Um den Wärmeübergangskoeffizienten für das Keimsieden zu validieren, wurde ein Vergleich mit dem konvektiven Koeffizienten für das Keimsieden durchgeführt, der mit der Mostinski-Gleichung ermittelt wurde. Der relative Fehler zwischen den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten des Keimsiedens beträgt 10,5%. Die numerische Lösung der FDS wurde mit der Large Eddy Simulation (LES) Methode durchgeführt. Diese Arbeit wurde mit Hilfe der Software COMSOL Multiphysics erweitert, um auch die Aspekte der strukturellen Integrität des Metallrohrs des Verdampfers einzubeziehen. Es wurde festgestellt, dass die berechnete Spannung geringer ist als die ultimative Zugfestigkeit der Stahllegierung AISI 310.
[4] CFD Simulation of Forced Recirculating Fired Heated Reboilers. Processes 2020, 8, 145. https://lnkd.in/de3CuY_J
Zusammenfassung Kapitel 5: Petrolkoks (Petroleumkoks) ist ein kohlenstoffreicher und schwarzer Feststoff. Trotz der Umweltrisiken, die mit der Nutzung von Petrolkoks verbunden sind, wird er meist als kochender und brennender Brennstoff in der Stromerzeugung und in Zementwerken eingesetzt. Aufgrund seines höheren Heizwerts, seines Kohlenstoffgehalts und seines geringen Aschegehalts gilt er als vielversprechender Ersatz für Kohlekraftwerke. In dieser Studie wurde ein Computational Fluid Dynamics (CFD)-Berechnungsmodell für die Methandampfreformierung entwickelt. Das System zur Wasserstofferzeugung besteht aus einem Petrolkoksbrenner und einem Katalysatorbettreaktor. Die durch die Petrolkoksverbrennung freigesetzte Wärme wurde für die konvektive und strahlende Erwärmung des Katalysatorbetts genutzt, um die Dampfreformierungsreaktion von Methan in Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufrechtzuerhalten. Dieser Berechnungsalgorithmus besteht aus drei Schritten – der Simulation der Petrolkoksverbrennung mit Hilfe der Software Fire Dynamics Simulator (FDS) in Verbindung mit einer thermischen Strukturanalyse der Brennerauskleidung und einer multiphysikalischen Berechnung des Methandampfreformierungsprozesses (MSR), der im Katalysatorbett stattfindet. Die Strukturanalyse der Brennerauskleidung wurde durch die Kopplung der Lösungen der Wärmeleitungsgleichung, der Darcy-Gleichung für die Dampfströmung in porösen Medien und der Gleichung für die Strukturmechanik durchgeführt. Um die durch die FDS-Berechnung erhaltene Gastemperatur und den Kohlenmonoxid-Molanteil zu validieren, wurde ein Vergleich mit den Ergebnissen aus der Literatur durchgeführt. Die bei der Verbrennungssimulation ermittelte Maximaltemperatur betrug etwa 1440 °C. Die berechnete Temperatur ist ähnlich hoch wie die in der Literatur angegebene Temperatur, die ebenfalls nahe bei 1400 °C liegt. Der maximal gemessene Kohlendioxid-Molanteil betrug 15,0%. Die COMSOL Multiphysik-Software löst gleichzeitig die Transportgleichungen für die Strömung des Katalysatormediums, die Wärme und die Masse mit der chemischen Reaktionskinetik des Methandampfreformierungs-Katalysatorbettreaktors. Die Methanumwandlung beträgt etwa 27%. Der Dampf und das Methan zerfallen entlang des Katalysatorbettreaktors mit der gleichen Steigung. Ähnliche Werte wurden in der Literatur für eine MSR-Temperatur von 510 °C angegeben. Der Wasserstoffmassenanteil wurde um 98,4% erhöht.
[5] Multiphysics Design of Pet-Coke Burner and Hydrogen Production by Applying Methane Steam Reforming System. Clean Technol. 2021, 3, 260-287. https://lnkd.in/dZKBgmcC
Zusammenfassung Kapitel 6: In dieser Arbeit wurde eine thermodynamische Analyse des Organic Rankine Cycle (ORC) durchgeführt. Der Petrolkoks-Brenner lieferte den erforderlichen Wärmestrom für den Butan-Kessel. Die Simulation der Petrolkoksverbrennung wurde mit der Software Fire Dynamics Simulator (FDS) Version 5.0 durchgeführt. Die Validierung der FDS-Berechnungsergebnisse erfolgte durch den Vergleich der Temperatur des Gasgemischs und der CO2 Molfraktionen mit der Literatur verglichen. Es wurde festgestellt, dass sie mit den in der Literatur angegebenen Werten übereinstimmen. Für diese Arbeit wurde eine Analyse der Zeitvorhersage durch künstliche Intelligenz (KI) durchgeführt. Der KI-Algorithmus wurde auf die Messwerte der Temperatur- und Rußsensoren angewandt. Zwei Python-Bibliotheken wurden eingesetzt, um das zeitliche Verhalten der Thermoelement-Messwerte zu prognostizieren: Das statistische Modell ARIMA (Auto-Regressive Integrated Moving Average) und die Bibliothek KERAS-deep learning. ARIMA ist eine Modellklasse, die eine Reihe von verschiedenen zeitlichen Standardstrukturen in Zeitreihendaten abbildet. Keras ist eine Python-Bibliothek, die für Deep Learning eingesetzt wird und auf Tensor-Flow läuft. Sie wurde entwickelt, um Deep-Learning-Modelle für Forschung und Entwicklung so schnell und einfach wie möglich durchzuführen. Die Modellgenauigkeit und das Modellverlustdiagramm zeigen eine vergleichbare Leistung (Train und Test). Butan wurde als Arbeitsmedium im ORC verwendet. Butan gilt als eines der besten reinen Fluide in Bezug auf die Exergieeffizienz. Im Vergleich zu Ethan und Propan hat es einen geringen spezifischen Strahlungsantrieb (RF). Außerdem hat es kein Ozonabbaupotenzial und ein geringes Treibhauspotenzial. Es gilt als brennbar, sehr stabil und nicht korrosiv. Die thermodynamischen Eigenschaften von Butan, die für die Bewertung der Wärmerate und der Leistung erforderlich sind, wurden mit dem thermodynamischen Online-Rechner ASIMPTOTE berechnet. Es zeigte sich, dass die berechnete Nettoleistung des ORC-Zyklus mit der in der Literatur angegebenen Nettoleistung vergleichbar ist (relativer Fehler von 4,8%). Das vorgeschlagene ORC-Energiesystem gehorcht dem ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Der thermische Wirkungsgrad des Zyklus beträgt 20,4%.
[6] Thermodynamischer Entwurf eines Organic Rankine Cycle (ORC) auf der Grundlage der Verbrennung von Petrolkoks. ChemEngineering 2021, 5, 37. https://lnkd.in/dX7czfm7
Zusammenfassung Kapitel 7: FAME (Biodiesel) ist ein alternativer Kraftstoff, der aus Pflanzenölen hergestellt werden kann. Es besteht ein wachsendes Interesse an der Erforschung und Entwicklung erneuerbarer Energiequellen. Eine mögliche Lösung ist ein in Selbstzündungsmotoren (Dieselmotoren) verwendbarer Biokraftstoff, der aus fett- und ölreicher Biomasse hergestellt wird. Dieser Artikel enthält ein neues und sichereres Design eines Veresterungsreaktors zur Herstellung von FAME (Biodiesel) unter Verwendung einer Flüssigkeit mit hohem Siedepunkt (Phenylnaphthalin genannt). Es wurde eine CFD-Simulation der Biodieselproduktion unter Verwendung einer ionischen Flüssigkeit (Methylimidazoliumhydrogensulfat) durchgeführt. Ionische Flüssigkeiten (ILs) bestehen aus Anionen und Kationen, die als Flüssigkeiten bei relativ niedrigen Temperaturen existieren. Sie haben viele Vorteile, wie z.B. chemische und thermische Stabilität, geringe Entflammbarkeit und niedrige Dampfdrücke. In dieser Arbeit wurden die ionischen Flüssigkeiten in organischen Reaktionen als Lösungsmittel und Katalysatoren für die Veresterungsreaktion eingesetzt. Die hervorragenden Eigenschaften von Flüssigkeiten mit hoher Siedetemperatur und die Fortschritte in der Öl- und Gasindustrie machen das organische Konzept für die Beheizung des Veresterungsreaktors geeigneter und sicherer (Wasser, das mit flüssigem Metall in Berührung kommt, kann zu einer Dampfexplosion führen). Der COMSOL Multiphysics Code wurde eingesetzt und löst gleichzeitig die Gleichungen für Kontinuität, Flüssigkeitsströmung, Wärmeübertragung und Diffusion mit chemischer Reaktionskinetik. Es wurde gezeigt, dass der Wärmestrom den notwendigen Wärmestrom für die Aufrechterhaltung des Veresterungsprozesses liefern kann. Es wurde festgestellt, dass die Massenanteile von Methanol und Ölsäure entlang der Reaktorachse abnehmen. Der FAME-Massenanteil stieg entlang der Reaktorachse an. Der maximale Biodieselertrag, der im Veresterungsreaktor erzielt wurde, betrug 86%. Dieser Wert ist den experimentellen Ergebnissen von Elsheikh et al. sehr ähnlich.
[7] Thermal Hydraulics and Thermochemical Design of Fatty Acid Methyl Ester (Biodiesel) Esterification Reactor by Heating with High Boiling Point Phenyl-Naphthalene Liquid. Fluids 2022, 7, 93. https://lnkd.in/d47S9GRi
Zusammenfassung Kapitel 8: Large Eddy Simulation (LES) und thermodynamische Studien wurden für die Komponenten des Organic Rankine Cycle (ORC) (Kessel, Verdampfer, Turbine, Pumpe und Kondensator) durchgeführt. Der Petrolkoksbrenner lieferte den für den Butanverdampfer benötigten Wärmestrom. Im ORC wurde eine Flüssigkeit mit hohem Siedepunkt (Phenylnaphthalin) verwendet. Die hochsiedende Flüssigkeit ist sicherer (die Gefahr einer Dampfexplosion kann vermieden werden), um den Butanstrom zu erhitzen. Sie hat die beste Exergie-Effizienz. Es ist nicht korrosiv, sehr stabil und entflammbar. Die Software Fire Dynamics Simulator (FDS) wurde eingesetzt, um die Verbrennung von Petrolkoks zu simulieren und die Wärmefreisetzungsrate (HRR) zu berechnen. Die maximale Temperatur des im Kessel fließenden 2-Phenylnaphthalins liegt weit unter seiner Siedetemperatur (600 K). Enthalpie, Entropie und spezifisches Volumen, die für die Bewertung der Wärmeraten und der Leistung erforderlich sind, wurden mit Hilfe des thermodynamischen Codes THERMOPTIM errechnet. Das vorgeschlagene ORC-Design ist sicherer. Das liegt daran, dass das brennbare Butan von der Flamme des Petrolkoksbrenners getrennt ist. Der vorgeschlagene ORC gehorcht den beiden grundlegenden Gesetzen der Thermodynamik. Die berechnete Nettoleistung beträgt 3260 kW. Sie ist in guter Übereinstimmung mit der in der Literatur angegebenen Nettoleistung. Der thermische Wirkungsgrad des ORC beträgt 18,0%.
[8] Large Eddy Simulation and Thermodynamic Design of the Organic Rankine Cycle Based on Butan Working Fluid and the High-Boiling-Point Phenyl Naphthalin Liquid Heating System. Entropie 2022, 24, 1461. https://lnkd.in/dZrkKhaK
Zusammenfassung Kapitel 9: Die Inhalationsanästhesie wird über ein unterstütztes Beatmungssystem verabreicht. Sie besteht hauptsächlich aus Xenon oder Distickstoffoxid, halogenierten Kohlenwasserstoffen (HHC) und Sauerstoff. Um die Kosten für die Anästhesiemittel zu senken, werden die in der Ausatmung vorhandenen restlichen Anästhetika recycelt und wiederverwendet, um die Menge an frischem Anästhetikum zu minimieren. Eine Alkalihydroxid-Mischung (Natronkalk genannt) wird verwendet, um das CO2 aus der Ausatmung. Bei der Reaktion von Natronkalk mit halogenierten Kohlenwasserstoffen können jedoch giftige Verbindungen entstehen. Ionische Flüssigkeiten (ILs) haben mehrere Vorteile wie Nichtflüchtigkeit, Funktionalität, hohe Kohlenstofflöslichkeit und geringer Energiebedarf für die Regeneration. Im Rahmen dieser Forschung wurde die Entfernung von Kohlendioxid mit ionischen Flüssigkeiten numerisch untersucht. Die COMSOL Multi-Physics Finite-Elemente-Software wurde verwendet. Sie löst die Kontinuitäts-, Flüssigkeitsströmungs- und Diffusionsgleichungen. Es wurde ein neuer Algorithmus zur Berechnung der Absorption der Infrarotstrahlung (IR) von CO2. Sein Absorptionskoeffizient hat wellenlängenabhängige Eigenschaften. Der Absorptionskoeffizient von Gasen wurde mit Hilfe der HITRAN-Spektraldatenbank berechnet. Es wurde festgestellt, dass der CO2 wird fast vollständig durch das 1-Ethyl-3-Methylimidazoliumdicyanamid absorbiert ([emim][DCA]) nach einer Zeitspanne von 1000 s fast vollständig absorbiert. Es hat sich gezeigt, dass der Absorptionskoeffizient von CO2 kann im Intervall unterhalb von 1,565 μm vernachlässigt werden, und bei 1,6 μm steigt sie dann auf die gleiche Größenordnung wie die für CO. Es ist also möglich, CO2 durch Anwendung einer Laserdiode, die in der Lage ist, IR-Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,6 μm zu übertragen. Diese Zeitspanne ist eine Funktion des Diffusionskoeffizienten des CO2 in der Membran und in der ionischen Flüssigkeit.
[9] Numerische Studie zur CO2-Entfernung aus einem Inhalationsanästhesiesystem unter Verwendung einer Gas-Ionenflüssigkeits-Membran. ChemEngineering 2023, 7, 60. https://lnkd.in/dqY7Fu9w
Zusammenfassung Kapitel 10: Schwefelwasserstoff (H2S) ist ein giftiges und korrosives Gas, das häufig in Erdgas, Rohöl und anderen fossilen Brennstoffen vorkommt. Dieses korrosive Gas kann zu Spannungsrisskorrosion (SCC) führen. Dieses Phänomen wird durch den kombinierten Einfluss von Zugspannungen und einer korrosiven Umgebung verursacht. Dies kann zu einem plötzlichen Versagen von normalerweise duktilen Metalllegierungen führen, insbesondere bei hohen Temperaturen. Entschwefelung ist der Prozess der Entfernung von H2S aus diesen Brennstoffen, um ihre schädlichen Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit zu reduzieren. Ionische Flüssigkeiten (ILs) haben ein großes Potenzial für die Anwendung als flüssige Absorptionsmittel für H2S-Extraktion aufgrund ihrer Vorteile wie Nichtflüchtigkeit, Funktionalität, hohe Kohlenstofflöslichkeit und geringer Energiebedarf für die Regeneration. Das vorgeschlagene Schwefelwasserstoff-Extraktionssystem besteht aus einem Rohr, einer Membran und einer Hülle. Ionische Flüssigkeiten auf der Basis von 1-Ethyl-3-methylimidazolium (emim) mit Bis-(trifluormethyl)-sulfonylimid (NTf2)-Anion wurden aufgrund ihrer hohen H2S Diffusionskoeffizient. Funktionalisierte Graphenoxid (GO)-Membranen wurden für dieses Design verwendet. In dieser Forschung wurde H2Die S-Extraktion mit ionischen Flüssigkeiten wurde numerisch untersucht. Der COMSOL Finite-Elemente- und Multiphysik-Code wurde zur Lösung der Kontinuitäts-, turbulenten Strömungs- (k-ε-Modell) und instationären Diffusionsgleichungen verwendet. Für kleine Zeiträume gibt es einen starken Gradienten in H2S-Konzentrationsprofil im Inneren des Schalenabschnitts. Das liegt daran, dass der Diffusionskoeffizient von H2S in der ionischen Flüssigkeit ist sehr klein und der Schalenabschnitt ist viel dicker als die Membran. Es wurde festgestellt, dass H2S wird von ionischen Flüssigkeiten nach einer Zeitspanne von 30.000 s fast vollständig absorbiert.
[10] CFD-Simulation der Entschwefelung von Schwefelwasserstoff (H2S) mit ionischen Flüssigkeiten und Graphenoxidmembranen. Kraftstoffe 2023, 4, 363-375. https://lnkd.in/dniBwT98
Zusammenfassung Kapitel 11: Olefine sind wichtige Bausteine für die petrochemische Industrie und dienen als Rohstoffe für die Herstellung verschiedener Produkte wie Kunststoffe, Kunstfasern, Waschmittel, Lösungsmittel und andere Chemikalien. Bei FCC werden schwere Erdölrohstoffe in eine katalytische Crackanlage eingespritzt, wo sie mit einem Katalysator vermischt werden. Der Katalysator hilft bei der Aufspaltung der großen Kohlenwasserstoffmoleküle in kleinere Fragmente, darunter Olefine wie Propylen und Ethylen. Diese Polymerisationsreaktionen finden bei hohen Temperaturen statt. Sie erfordern eine möglichst schnelle Wärmeabfuhr, um die Reaktortemperatur zu kontrollieren und „heiße Stellen“ im Regenerator oder lokale Oxidationsreaktionen zu vermeiden (und um einen Kriechbruch der Stahlverkleidung des Regenerators zu verhindern). Die Kühlung der Oberfläche der Regeneratorverkleidung kann durch auftreffende Wassertröpfchen (Spray) erreicht werden, die aus einer Sprühdüse ausgestoßen werden. Die Sprühkühlung kann für eine gleichmäßige Kühlung sorgen und hohe Wärmeströme sowohl in einer Phase als auch in zwei Phasen bewältigen. Diese Forschung bietet eine thermohydraulische Auslegung von Regenerator-Sprühkühlsystemen. Im Rahmen dieser Forschung wurde die Software Fire Dynamics Simulator (FDS) eingesetzt, um das Temperaturfeld und den Wasserdampfmassenanteil zu simulieren. Ein COMSOL Multiphysics Finite-Elemente-Code wurde verwendet, um das Temperaturfeld innerhalb der Regeneratorverkleidung zu berechnen. Die mit der FDS-Software berechneten Oberflächentemperaturen und der konvektive Wärmeübergangskoeffizient wurden erfolgreich mit den numerischen COMSOL-Ergebnissen und früheren Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Die numerischen Simulationen wurden für zwei Fälle durchgeführt. Der erste Fall wurde in einem Abstand von 0,5 m durchgeführt, der zweite Fall in einem Abstand von 0,2 m. Für das FDS-Modell wurde eine Studie zur Empfindlichkeit des Gitters durchgeführt. Es wurden numerische Integrationen über die Zeit durchgeführt, um die durchschnittlichen Temperaturen zu berechnen. Der Unterschied zwischen diesen vier Durchschnittstemperaturen, die mit verschiedenen Gittern berechnet wurden, beträgt weniger als 7,4%. Die berechneten Oberflächentemperaturen und der konvektive Wärmeübergangskoeffizient wurden erfolgreich mit den numerischen COMSOL-Ergebnissen und früheren Forschungsergebnissen abgeglichen. Es zeigte sich, dass die berechneten Temperaturen im zweiten Fall sinken. Dem Wassersprühsystem gelang es, die Stahlwand effektiver zu kühlen, je mehr sich das Wassersprühsystem der Stahlverkleidung nähert.
[11] Thermohydraulische Simulation eines Wassersprühsystems für einen Regenerator zur Kühlung von Fluid Catalytic Cracking (FCC). Dynamics 2023, 3, 737-749. https://lnkd.in/d9hZxHEj.
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