Dahmen, N.

Funke, A.

Grandl, R.

Ille, Y.

Sauer, J.

KITopen

KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and  National Research Center of the Helmholtz Association INSTITUTE OF CATALYSIS RESEARCH AND TECHNOLOGY (IKFT) www.kit.edu Scale-Up von Schneckenreaktoren und  Optimierung der Prozessführung  Funke, A.; Grandl, R.; Ille, Y.; Dahmen, N.; Sauer, J. Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 2 Gliederung   Einführung / experimentelle Ausrüstung  Reaktor   Kondensation  01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 3 bioliq® Schnellpyrolyse Ziel: Erarbeitung der Auslegungsgrundlagen für Schlüsselkomponenten Pyrolyse-reaktor Kondensation Feststoff-abtrennung Gas Pyrolyse-koks Schwel-teer Schwel-wasser Biomasse 500 °C 500 °C 80-90 °C 10-20 °C 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 4 Herausforderungen Mischen und Fördern von Feststoffen DEM Simulationen/ CFD gekoppelt Eingeschränkt definierbares Edukt Experimente Scale Up nach Ähnlichkeitstheorie Rechenleistung reduzieren Einfluss von Kenngrößen Optimierung Vereinfachungen 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 5 1:50 bioliq® Pilotanlage 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung TRL 7 bioliq® pilot plant TRL 5 Process development unit (PYTHON) TRL 4 Labscale fast pyrolysis Commercial application Basic research Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 6 Technikumsanlage ‚Python‘  TRL    7 bioliq® pilot plant                    TRL    5 Process development unit TRL    4 Labscale fast pyrolysis Commercial application Basic research 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 7 Python – Produktabscheidung 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 8 Vergleich Technikum – Pilot 0% 20% 40% 60% 80% 100%bioliqPythonbioliqPythonKoksSTSWGasDefizit01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung ‚as received‘ Kohlenstoffbilanz Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 9 Gliederung   Einführung / experimentelle Ausrüstung  Reaktor   Kondensation  01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 10 Vergleich dimensionslose Zahlen Bedeutung Definition Python bioliq Geometrie 𝑡𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 5 3.5 Geometrie 𝑙tube𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 15 9 Geometrie Asecdtube2  0.59 0.55 Geometrie 𝑑𝐵𝐵𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 7.5e-3 1.5e-3 Geometrie/ Wärme 𝑑𝐵𝐵𝑑𝐻𝐻 0.30 0.30 Wärme ?̇?𝐻𝐻?̇?𝐵𝐵 38 34 Wärme Δ𝑇𝑡𝑏−ℎ𝑐𝑇𝑡𝑏 1.72 1.84 Feststoff (Leistungszahl) ṁbm + ṁhcρbulk1𝑛𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡3  0.47 0.37 Feststoff  (Fr) 4𝑟𝑡𝑡𝑡𝑡𝜋2𝑛2𝑔 0.3 0.9 Reaktion Gas (Da I) k𝑣𝑣 l𝑡𝑡𝑡𝑡𝜌𝑔𝑔𝑣𝐴𝑣𝑡𝑐ṁ𝑔𝑔𝑣  8e1…e5 τ≈0.2 s 2e2…e6 τ≈0.9 s Reaktor-design Wärme-träger Gas 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 11 Reaktorgeometrie Transport- und Mischcharakteristik unterschiedlich  relevant?  Großer Reaktor ist ‚gestauchter‘  Einfluss auf Verweildauer, nicht notwendigerweise auf Reaktionsdauer vom Feststoff ltube t P, n Asec dtube h δ 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 12 Reaktorgeometrie – Scale Up 0.11100 10 20 30 40 50Change in dimensions/  dimensionless numbers (-) Scaling Factor (-) d (tube/shaft); t n l (reactor)x d x l&t x n 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 13 Wärmetransport Reaktionstemperatur zeigt nur eine leichte Abhängigkeit von Wärmeübergangskoeffizienten Reaktortemperatur (treibende Temperaturdifferenz) Partikelgröße Reaktionsenthalpie    Leichte Änderungen im Scale Up zulässig?!  ltube t P, n dtube Temperatur Gas Temperatur Wärmeträger Temperaturprofil Biomassepartikel (Lédé, 1996, 2015) T x Kern Oberfläche Reaktions- temperatur ≈ 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 14 Pyrolysedämpfe / -gas Verhalten der Gasphase weitestgehend unbekannt Pyrolysegas wird in (bewegter) Schüttung produziert Schlupf/ Interaktion Schnecke Interaktion Freeboard/ Feststoff  Experimentelle Bestimmung der Kinetik erforderlich Quantitativer Einfluss von Kokspartikeln Gastwissenschaftlerin – Kooperation mit Tongji Universität / Shanghai   Skizze einfügen Biomass Liquids Char Gas Gas Coke kbg kbl kbc klg klc Di Blasi, 2005 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 15 Zwischenfazit Dimensionsanalyse Mischcharakteristik muss beschrieben werden, abhängig von: Schneckengeometrie Betrieb (Umdrehungszahl) (Feststoffpartikel)  Strömung der Gasphase muss beschrieben werden  Bessere Beschreibung des Wärmeübergangs wünschenswert, abhängig von: Mischcharakteristik Strömung der Gasphase  01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 16 Reaktormodellierung – CFDEM®-Ansatz  01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung CFD DEM FN FH 𝐹𝐻 = 𝜇 ∙ 𝐹𝑁,                            𝜇 < 1 Reibung 𝐹𝑅 = 𝑑𝑅 ∙ 𝐹𝑁 = 𝑐𝑅 ∙ 𝐹𝑁 ,          𝑐𝑅 < 1 FN FR Rollreibung 𝐶𝑅 = 𝐹2𝐹1 = ℎ2ℎ1 < 1 F2 F1 Elastischer Stoß 𝛻 · 𝑣 = 0 𝑣 · 𝛻 𝑣 − 𝜗𝛥𝑣 + 𝛻𝑝 = 𝑓 Navier-Stokes-Gleichungen Lösung durch Gitterverfahren Mehr Informationen zur Modellierung gibt es am Poster! Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 17 Mischgüte im Doppelschneckenreaktor M= 1 − 𝜎2𝜎2𝑚𝑚𝑚 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 18 Gliederung   Einführung / experimentelle Ausrüstung  Reaktor   Kondensation  01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 19 Dampf-Flüssig-Gleichgewicht für Pyrolyseöl In der Literatur sind kaum experimentelle Werte vorhanden Thermodynamisch interessante Größe ist der massenbezogene Aktivitätskoeffizient von Wasser 𝛾ξ,W in Pyrolyseöl Erfolgreiche Messung mittels FTIR-Spektroskopie Aktivitätskoeffizienten sind stark erhöht Massenbezogener Aktivitätskoeffizient von Wasser in Pyrolyseöl bei verschiedenen Temperaturen und Wassergehalten Mehr Informationen zur experimentellen Vorgehensweise gibt es am Poster! 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 20 Modellierung von Pyrolyselignin Wie kann eine Modellmischung für Pyrolyseöl aussehen?  50 bis 60% sind schwer identifizierbare Pyrolyselignine! Ansatz: „Thermodynamische Strukturaufklärung“ Anpassung der Modellmischung an experimentelle Daten Anpassung mit 195 Modellmolekülen und mod. Unifac  Biphenyl,di-OH ist rein thermodynamisch am besten geeignet Bisher keine Berücksichtigung der chemischen Eigenschaften  Mehr experimentelle Werte und Validierung der Berechnungsmodelle nötig  Mögliche Modellmoleküle für das Pyrolyselignin 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 21 Bypass in der Technikumsanlage Indirekter Wärmeübergang   Keine Vorlage erforderlich  Pyrolyseöl ohne Kontamination  Variierung der Temperaturen flexibel umsetzbar  Charakterisierung von      Produktfraktionen  Bessere Kenntnisse über ‚frisches‘ Schwelteer  Gezieltere Auslegung von Quenche und Schwelteerkreislauf 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 22 Zusammenfassung Python  bioliq entspricht Scale Up 1:50 Ähnlichkeiten von dimensionslosen Kennzahlen nicht vollständig gegeben  Weitere Untersuchungen erforderlich um Relevanz / Einfluss der Änderungen zu beschreiben  Experimentell  Theoretisch  ‚Klassische‘ Simulationen beschränkt wegen Feedstock Beschreibung grundsätzlicher Phänomene   ‚Betriebsfenster‘ besser definieren  ggf Optimierung Reaktordesign  Stoffdaten für Kondensation werden erarbeitet  Bessere Beschreibung Kondensation   01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 23  Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!  Und an: Andreas Niebel, Daniel Richter, Norbert Sickinger  Melanie Franke, Pia Griesheimer, Jessica Heinrich, Petra Janke, Jessica Maier Syed Shaheer Uddin Ahmed, Betina Angioletti, Frederico Fonseca, Ya Gao, Laurice Siakam, Friedemann Timm    Dr.-Ing. Axel Funke Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT)  Telefon: +49 721 608-22391 Email: axel.funke@kit.edu Web: http://www.kit.edu/     01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 24 Umbau Technikumsanlage 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) 25 Ergebnisse Umbau 39 24 30 20 40 23 8 4 4 44 58 51 30 54 38 3 3 4 7 3 20 17 14 19 16 16 3 4 0 3 7 0 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 %WS-v1WS-v2M-v1M-v2SW-v1SW-v2Fraction of carbon input (wt. %) Solids Solids/OC OC/without solids Aq/Org CondensatesAqueous condensate Gas Deficit** ** * * ** ** 01.12.2015 bioliq Statusseminar - Scale Up und Optimierung der Prozessführung 

Scale-up von Schneckenreaktoren und Optimierung der Prozessführung

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