CO2 Rückgewinnungsanlage

CO₂ in der Industrie

Anwendungen

• Trockeneis
• Karbonisierung von Getränken
• Hochdruckextraktion (Hopfenextrakt, Koffeinentfernung)
• Kältemittel in Lebensmittelindustrie
• Schutzgasverpackung
• CO₂-Begasung bei Lagerung
• Feuerschutzmittel
• Neutralisation von alkalischen Abwässern

Anwendungen in Getränkeindustrie

• Einstellen CO₂-Gehalt
• Vermeidung Sauerstoffaufnahme des Produkts (Vorspannen und Leerdrücken)
• Neutralisation von Lauge
• Brauwasseraufbereitung

Gärungskohlendioxid

180,07 g Glc → 2 * 46,07 g Eth + 2 * 44,01 g CO₂

• 2,1-3,3 kg CO₂/hl Kaltwürze gewinnbar

Leistung CO₂-Rückgewinnungsanlage

m_CO2 Massenstrom der Anlage
n Anzahl der Sude pro Tag
m_spez CO₂-Anfall in kg/hl Kaltwürze (meist 2,5; High Gravity 2,8)

(1)

\begin{align} \dot{m}_{CO_2} = \frac{V_{KW} \cdot n}{24~h/d} \cdot m_{spez} \cdot 1,25 \end{align}

Zeitpunkt der Rückgewinnung

	nach 24 h	nach 16 h
Eingangsreinheit	99,5 Vol-%	94,7 Vol-%
CO2 Verlust	hoch	niedrig
Anlage	Standardanlage	mit Rektifizierung
mspez	2,4-2,5	3,3

CO₂-Rückgewinnungsanlage

Reinigung Rohgas

1. Gaswascher: wasserlösliche Inhaltsstoffe (Ethanol, Acetaldehyd, …)
2. Kühler: Wasser, H₂S, Mikroorganismen
3. Trockner: Wasser, DMS
4. Aktivkohlefilter: flüchtige Stoffe (H₂S, DMS, Ester, …)
5. Verflüssiger: Sauerstoff, Stickstoff, nicht kondensierbare Gase

Schaumabscheider

• mitgeschleppter Schaum wird vom Gas getrennt
• Wasserbesprühung (Frischwasser)
• Abziehen Rohgas vom Kopfende

Gasballon

• Pufferspeicher um Schalthäufigkeit des Verdichters zu kompensieren
• ca. 3-4 Schaltvorgänge pro Stunde
• Dichte CO₂ 1,85 kg/m³ bei 15 °C, 1 bar)
• Umstellen der Gleichung um das nötige Volumen zu berechnen

(2)

\begin{align} f_{max} = \frac{\dot{m}_{CO_2}}{4 \cdot \rho_{CO_2} \cdot V_{GB}} \end{align}

Gaswascher

• CO₂-Rohgas und Wasser im Gegenstrom
• Konventionelle Gaswascher
  • Sprühdosen-System oder Füllkörper aus Kunststoff
  • Wasser im Kreislauf
  • bis zu 95 % Ethanol entfernbar
• Hochleistungswascher
  • strukturierte Packungen aus Edelstahl
  • Frischwasserzugabe
  • bis zu 99,75 % Ethanol entfernbar
• möglichst viel Ethanol abtrennen, damit keine Bindung von H₂S
• Reinigung Gaswascher wegen Mikroorganismen nötig

CO₂-Verdichter

• zweistufiger Hubkolbenverdichter (ölfrei, ND, HD)
• Kühler nach jeder Stufe (Verdichtungswärme, Feuchtigkeit kondensieren)
• Ausscheidung MO und H₂S
• 14-20 bar Verdichtungsdruck

Berechnung des Mitteldrucks bei zweistufiger Verdichtung

(3)

\begin{align} p_m = p_2 = p_3 = \sqrt{p_1 \cdot p_4} \end{align}

spez. theorethische (isentrope) Verdichterarbeit

(4)

\begin{align} w_{th} = R_{CO_2} \cdot T_1 \cdot \frac{\kappa}{\kappa - 1} \cdot \left( \left( \frac{p_2}{p_1} \right)^{\frac{\kappa -1}{\kappa}} - 1 \right) \end{align}

spez. elektrische Verdichterarbeit

(5)

\begin{align} w_{el} = \frac{w_{th}}{\eta_i \cdot \eta_{mech} \cdot \eta_{el}} \end{align}

elektrische Gesamtleistung

(6)

\begin{align} P_{el} = \dot{m}_{CO_2} \cdot w_{el} \end{align}

CO₂-Kühler

Wassergehalt von gesättigtem CO₂-Wasserdampf-Gemisch

(7)

\begin{align} x_{SW} = \frac{p_{SW}(t)}{p - p_{SW}(t)} \cdot \frac{R_{CO_2}}{R_W} \end{align}

Adsorption

Adsorption

Anlagerung gasförmiges/festes Molekül an Feststoff (exotherm)

Desorption

Entfernung adsorbiertes Molekül und Transport in fluide Phase

Adsorbens

Feststoff, der adsorbierte Moleküle bindet (z.B. Kieselgel)

Adsortiv

zu adsorbierendes Molekühl in fluider Phase (z.B. Wasserdampf)

Adsorpt

Molekül, das an Feststoff gebunden ist

Drucktaupunkt

Temperatur, bei einem unter Druck stehendem Gas 100 % Feuchtigkeitssättigung erreicht ist

• Adsorptionsmittel: Kieselgel, Molekularsieb, Aluminiumoxid, Aktivkohle

CO₂-Trockner

• 2 parallele Trockner, abwechselnd geschalten (zur Regeneration)
• Heizung oder Dampf Regeneration (dann Spülen mit reinen CO₂)
• Trocknung auf Drucktaupunkt -45-60 °C
• Trockner vor Aktivkohlefilter → Nachfilter nötig, wenn danach dann nicht nötig

Aktivkohle- und Nachfilter

• Adsorption von H₂S, DMS, Ester, Geruchsstoffe
• 2 parallele Filter
• Regenerierung mit Heißluft und Spülung mit trockenem CO₂
• Kontrolle der Beladung durch Differenzdruckmessung (alle 1-2 Jahre Austausch der Aktivkohle)
• Ethanol höhere Affinität als H₂S und DMS
• max spez. Beladung ε = 110 kg CO₂/kg AK
• Leerrohrgeschwindigkeit von CO₂ w = 0,1-0,5 m/s
• Kontaktzeit von CO₂ im Aktivkohlebehälter τ_K = 3-5 s

Mindestfüllung von Aktivkohle

(8)

\begin{align} m_{AK} = \frac{\dot{m}_{CO_2} \cdot \tau_B}{\varepsilon_{AK}} \end{align}

Durchmesser des zylindrischen Behälters

(9)

\begin{align} D = \sqrt{\frac{4 \cdot \dot{m}_{CO_2}}{\rho_{CO_2} \cdot \pi \cdot w \cdot 3600~s/h}} \end{align}

Höhe des zylindrischen Behälters

(10)

\begin{align} H = \tau_K \cdot w \end{align}

Löslichkeit O₂ in CO₂

• Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit nimmt zu, bei steigendem Betriebsdruck, sinkender Betriebstemperatur
• Erhöhung der Ausbeute, wenn O₂ löslicher in flüssigem CO₂, aber unreiner
• Gesetz von Henry mit Partialdruck von CO₂ p₂, Molantiel von O₂ y₂, dem Gesamtdruck p, der Molkonzentration von O₂ x₂ und der Henry-Konstante H_2,1

(11)

\begin{align} p_2 = y_2 \cdot p = H_{2,1} \cdot x_2 \end{align}

CO₂-Verflüssiger

• wie NH₃-Verdampfer in Kälteanlage
• konventionell: -28-(-30) °C, 14-16 bar
  Rektrifikation: -35-(-40) °C, 18-20 bar
• Kältemittel Ammoniak
• Abblasen der nicht kondensierbaren Gasen (N₂, O₂) wegen Reinheit

Massenwirkungsgrad η_M

(12)

\begin{align} \eta_M = \frac{\dot{m}_{CO_2,aus}}{\dot{m}_{CO_2,ein}} = 1 - \frac{y_{CO_2,ab} \cdot \dot{n}_{ab}}{y_{CO_2,ein} \cdot \dot{n}_{ein}} \end{align}

Leistung CO₂-Verflüssiger Q
m_Ges Massenstrom Gasgeschmich vor Kondensation
m_CO2 Massenstrom CO₂ zur Kondensation
c_pG spez. Wärmekapazität CO₂-Gas (0,98-1,24 kJ/(kg K))
c_pF spez. Wärmekapazität CO₂-Flüssigkeit (1,97-2,2 kJ/(kg K))
t_CO2 Eintrittstemperatur CO₂-Gas
r_K spez. Kondensationswärme von CO₂ bei t_K (263-322 kJ/kg)

(13)

\begin{align} \dot{Q} = \dot{m}_{Ges} \cdot \left( (t_{CO_2} - t_{KE}) \right) + \dot{m}_{CO_2} \cdot \left( r_K + c_{pF} \cdot (t_{KE} - t_{KA} \right) \end{align}

CO₂-Rückgewinnung mit Rektifikation

• Rohgasreinheiten von 95 Vol-% gefordert
• Rückgewinnung bereits nach 6 Stunden
• CO₂-Reinheiten von 99,998 %
• Reduzierung CO₂-Anteil im Abblasegas
• Desorption bei der Sauerstoff aus flüssigem CO₂ entfernt wird
• Kolonne mit Füllkörper (Edelstahl, Kunststoff)

Teilkondensation eines CO₂-O₂-N₂-Gemisches

Die im Skript auftauchenden Berechnung sehen auch sehr umfangreich und komplex aus. Hier heißt es Mut zur Lücke und hoffen, dass diese nicht drankommen werden. Ansonsten muss man die einfach zur Nachholklausur nachlernen.

Lagertank

• 16-25 bar Betriebsdruck
• Füllmenge 100 * Stündliche CO₂ Anlagenleistung
• Ausgleich zwischen CO₂-Anfall und -Bedarf
• Zusatzheizung (sonst Trockeneisbildung bei Druckunterschreitung)
• Isolierung des Tanks 120-200 mm
• Fremdkohlensäurenpreis ca. 12-18 ct/kg

Reaktionen zwischen CO₂ und NH₃

(14)

\begin{align} CO_2 + 2~NH_3 \rightarrow NH_2CO_2NH_4 \end{align}

• Kontamination des NH₃-Systems
• Korrosion
• Verstopfungen
• Schädigungen des NH₃-Verdichters

spez. Kälteleistung K_W für NH₃-Hubkolbenverdichter

• bei HD-Stufe ist K_w = 16750 kJ/kWh

(15)

\begin{align} P_{el,V} = \frac{\dot{Q}_0 \cdot 3600 kJ/kWh}{K_w} \end{align}