Entwicklung und Analyse katalytischer Abgasbehandlungsprozesse am Beispiel einer emissionsfreien Schwefelsäureanlage

In der Arbeit wird die Entwicklung und Analyse von Abgasbehandlungsprozessen mit derEntwicklung und Validierung von Simulationsmodellen kombiniert. Als Fallbeispiel dient dieProzesskette zur Reinigung von Koksofengas - auch Kohlenwertstoff- oder Nebenproduktanlagegenannt. Im Speziellen wird die Weiterverarbeitung des mit der Kohle in den Prozesseingebrachten Schwefels betrachtet, welcher in Form von Schwefelwasserstoff nach der Pyrolyseals Begleitstoff des Kokjereigases auftritt. Die Entwicklung einer Prozessvariante mit emissionsfreierSchwefelsäureanlage steht dabei im Vordergrund. Verschiedene bekannte Prozessezur Verwertung des Schwefelwasserstoffes werden vorgestellt und verglichen. Bezogen auf dieneue Prozessvariante - der emissionsfreien Schwefelsäureanlage - werden drei Möglichkeitender verfahrenstechnischen Realisierung des Prozesses dargestellt.Die Arbeit diskutiert Ansätze zur mathematischen Modellierung heterogen katalysierterGasphasenreaktionen in Festbettreaktoren ebenso wie Möglichkeiten und Grenzen der numerischenBehandlung der daraus resultierenden Gleichungssysteme. Basierend auf Simulationsstudienwird der Einfluss verschiedener Modellvereinfachungen und Modellparameter geprüft.Zudem werden Aufbau und Funktionsweise der multifunktionalen Technikumsanlage beschrieben,die man zur Vermessung verschiedener Katalysatoren einsetzen kann. Mit ihrerHilfe lassen sich Modellparameter und Modellstruktur der chemischen Reaktionen an der katalytischenOberfläche bestimmen. Beachtet man ein Verhältnis von Reaktordurchmesser zuPartikeldurchmesser von 20, so können Katalysatorschüttungen mit einem äquivalenten Partikeldurchmesservon bis zu 5 Millimetern eingesetzt werden. Mit Temperaturen von bis zu600°C und Reynoldszahlen von bis zu 350 wird somit ein weites Feld an industriell eingesetztenFestbettreaktoren abgedeckt.Methoden zur Planung von Versuchen, die im Hinblick auf die Modellparameter und die Modellstrukturoptimale Informationen liefern, werden eingeführt und erweitert. Aufbauend aufden Erfahrungen an der Technikumsanlage wird ein neuer Algorithmus zur Modellerstellungvorgeschlagen.Abschließend wird ein neuer Ansatz zur Bewertung von Abgasbehandlungsprozessen vorgestellt,der die Aspekte der Wirtschaftlichkeit, der Energieeffizienz und der Umweltverträglichkeitvereint. Die inverse exergoökonomische und ökologische Analyse (IEEA) stellt eineErweiterung der exergoökonomischen Analyse dar und ermöglicht eine iterative Verbesserungvon Prozessen. Sie wird Beispielhaft auf einen Nasskatalyseprozess zur Erzeugung von Schwefelsäureaus schwefelwasserstoffhaltigem Abgas angewandt.