Rigorose Modellierung und Simu- lation von Chemisorptionsprozessen Bernhard Hüpen und Eugeny Y. Kenig* Unter Chemisorptionsprozessen, die zu den wichtigsten Verfahren in der chemischen In- dustrie gehören, versteht man die Ab- und Desorption von Gasen in bzw. aus Flüssigkeiten in Kombination mit simultan ablaufenden Reaktionen. In der Regel handelt es sich um sehr komplexe Prozesse, zu deren genauen Beschreibung eine detaillierte Modellierung notwendig ist. In diesem Beitrag wird ein allgemeingültiger, detaillierter Ansatz zur Darstellung verschiedenster Chemisorptionsprozesse und Kontaktapparate vorgestellt. Die Validierung erfolgt anhand von vier Prozessen, wobei es sich im Einzelnen um die Absorp- tion von Schwefeldioxid in einem Venturiwäscher, die Absorption von Stickoxiden in Pa- ckungs- und Bodenkolonnen und um eine Kreislaufwäsche zur selektiven Entfernung von H 2 S handelt. Für alle Prozesse ergeben sich gute bis sehr gute Übereinstimmungen zwi- schen Simulation und Experiment, was die Allgemeingültigkeit, Genauigkeit und Prädik- tivität des entwickelten Ansatzes belegt. 1 Problemstellung Chemisorptionsprozesse, zu denen man die reaktive Absorption von Gasen in flüssige Waschmittel und die Regenerierung des bela- denen Waschmittels durch reaktive Desorption zählt, spielen in vielen Bereichen der chemi- schen Industrie eine wichtige Rolle. Diese Pro- zesse werden vornehmlich zur Erzeugung von Basischemikalien, z.B. Salpeter- und Schwe- felsäure, und zur Entfernung von Gasbestand- teilen aus Prozess- oder Abgasströmen verwen- det. Je nach Stoff- bzw. Reaktionssystem werden verschiedene Apparate eingesetzt und ggf. miteinander verschaltet. Ein Beispiel für eine Verschaltung ist die Kreislaufwäsche, die aus den einzelnen Operationen reaktive Ab- sorption und reaktive Desorption besteht. Chemisorptionsprozesse bestehen im Wesentlichen aus einer Kombination von che- mischen Reaktionen, Wärme- und Mehrkom- ponentenstofftransport. Der Grad der Komple- xität des Prozesses variiert je nach Anzahl der Komponenten und Reaktionen und ob diese nur in der Flüssigphase oder auch in der Gas- phase auftreten. Darüber hinaus handelt es sich in den meisten Fällen um schnelle Reak- tionen, wodurch es zu einer direkten Wechsel- wirkung zwischen den Reaktionen und den Transportphänomenen kommt. Diese Phäno- mene sind entscheidend für das Prozessver- halten und erfordern eine rigorose, kinetisch basierte Modellierung, die sowohl Reaktions- system, Stoff- und Wärmetransport als auch den Einfluss von Apparategeometrie und -ein- bauten berücksichtigt [1]. Im Vergleich dazu liefern vereinfachte Ansätze, z.B. das Gleich- gewichtsstufenmodell, bei der Berechnung von Chemisorptionsprozessen häufig unzuver- lässige Ergebnisse [2]. Trotz der starken Verbreitung von Chemi- sorptionsprozessen gibt es nur wenige rigoro- se Ansätze zur ihrer Beschreibung, deren Gel- tungsbereich zumeist auf einen bestimmten Kontaktapparat beschränkt ist. Weiterhin gibt es in der Literatur bis heute keine rigorosen Modelle zur Darstellung des gesamten Kreis- laufprozesses Absorption/Desorption, obwohl in der industriellen Praxis diese beiden Opera- tionen oft miteinander verschaltet sind. In dieser Arbeit wird ein allgemein gültiger, kinetisch basierter Ansatz zur Darstellung ver- schiedenster reaktiver Ab- und Desorptions- prozesse und Apparate vorgestellt, wodurch erstmals die simultane Berechnung des ge- samten Kreislaufprozesses Absorption/De- sorption auf der Basis rigoroser Modelle er- möglicht wird. Das Gleichungssystem wurde in die Simula- tionsumgebung Aspen Custom Modeler TM im- plementiert und anhand experimenteller Daten von vier Prozessen validiert, die sich hinsicht- lichdesStoffsystems,desApparatetyps und der Apparategeometrie unterscheiden. 2 Modellierung 2.1 Kinetisch basierte Modelle Zur Darstellung eines ganzen Apparates wird dieser üblicherweise in axiale Segmente unter- Chemisorptions- prozesse bestehen im Wesentlichen aus einer Kombina- tion von chemi- schen Reaktionen, Wärme- und Mehr- komponentenstoff- transport. 1792 Chemie Ingenieur Technik 2005, 77, No. 11 Forschungsarbeiten www.cit-journal.de  2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim DOI: 10.1002/cite.200500127