Tauglich für industrielle Prozesse
Ein Team des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hat eine 3D gedruckte Absorptionsvorrichtung aus Aluminium konstruiert, die Kohlendioxidemissionen von Anlagen für fossile Brennstoffe einfangen kann. Bei der dabei eingesetzten sogenannten Aminwäsche wird Monoethanolamin, MEA, genutzt. Sie fängt CO2-Moleküle ein, die übrigen wie CO- und Stickstoffoxide lässt sie passieren – so am 19.08.2020 eine Medienmitteilung von Oak Ridge.
Wenn CO2 mit dem Lösungsmittel in Wechselwirkung tritt, erzeugt es Wärme, die die Fähigkeit des Lösungsmittels, mit CO2 zu reagieren, vermindern kann. Die Verringerung dieser lokalen Temperaturspitze in der Kolonne durch Kühlkanäle trägt dazu bei, die Effizienz der CO2-Abscheidung zu erhöhen. Das für industrielle Prozesse taugliche neue Gerät könnte dazu beitragen, die globalen Emissionen von Treibhausgasen wie CO2 einzudämmen. Das 3D-gedruckte Gerät besteht aus einem Wärmetauscher mit einem massenaustauschenden Kontaktgeber und integriert interne Kühlmittelkanäle zur Verbesserung des Wärmeaustauschs. Der fertige Prototyp des Geräts misst 20,3 Zentimeter im Durchmesser und 14,6 Zentimeter in der Höhe und hat eine Gesamtkapazität des Flüssigkeitsvolumens von 0,6 Litern. Das Teil wurde wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit, strukturellen Festigkeit und Bedruckbarkeit des Materials aus Aluminium gedruckt, obwohl auch andere Materialien verwendet werden könnten.
„Lösungen zur Reduzierung der globalen Emissionen von Treibhausgasen wie CO2, die Wärme binden, zielen auf die fortgesetzte Nutzung kostengünstiger, einheimischer fossiler Brennstoffressourcen ab und mindern gleichzeitig die potenziellen Auswirkungen auf das Klima.“
Das Gerät des ORNL konzentriert sich auf eine zentrale Herausforderung bei der konventionellen Absorption von Kohlenstoff mit Hilfe von Lösungsmitteln: Der Prozess erzeugt typischerweise Wärme, die seine Gesamteffizienz einschränken kann. Die Forscher haben ein multifunktionales Gerät nach Maß entworfen, das die Prozesseffizienz erheblich verbessert, indem es überschüssige Wärme abführt und gleichzeitig die Kosten niedrig hält.
Die Absorption, eine der am häufigsten verwendeten und wirtschaftlichsten Methoden zur Abscheidung von CO2, bringt einen Rauchgasstrom aus Schornsteinen in Kontakt mit einem Lösungsmittel, wie Monoethanolamin, bekannt als MEA, oder anderen Aminlösungen, die mit dem Gas reagieren können.
Das Team testete die neuartige kreisförmige Vorrichtung, die einen Wärmetauscher mit einem Massenaustauschschütz integriert, in einer 1 Meter hohen und 8 Zoll breiten Absorptionskolonne, die aus sieben handelsüblichen Edelstahlelementen besteht. Die 3D-gedruckte verstärkte Vorrichtung wurde in der oberen Hälfte der Kolonne zwischen den Packungselementen installiert.
Dank der additiven Fertigung war es möglich, innerhalb der Kolonne einen Wärmetauscher als Teil der Packungselemente einzusetzen, ohne die Geometrie zu stören, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Gas- und Flüssigkeitsstrom maximiert wurde.
„Wir nennen die Vorrichtung verstärkt, weil sie einen verbesserten Massentransfer (die Menge an CO2, die von einem gasförmigen in einen flüssigen Zustand überführt wird) durch In-situ-Kühlung ermöglicht“, sagte Costas Tsouris, einer der leitenden Forscher des ORNL bei diesem Projekt. „Die Kontrolle der Absorptionstemperatur ist entscheidend für die Abscheidung von Kohlendioxid.“
„Das Gerät kann auch aus anderen Materialien hergestellt werden, wie z.B. aus neu entstehenden Polymeren und Metallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Additive Herstellungsmethoden wie das 3D-Drucken sind im Laufe der Zeit oft kosteneffektiv, weil es im Vergleich zu traditionellen Herstellungsmethoden weniger Aufwand und Energie erfordert, ein Teil zu drucken“, sagte Forschungsleitter Lonnie Love vom ORNL, der die verstärkte Vorrichtung entworfen hat.
„Der Erfolg dieser verstärkten 3D-Druckvorrichtung stellt eine noch nie dagewesene Gelegenheit dar, die Kohlendioxidabsorptionseffizienz weiter zu verbessern, und demonstriert den Nachweis des Konzepts“, sagte Xin Sun von ORNL, Hauptforscherin des Projekts. Die zukünftige Forschung wird sich auf die Optimierung der Betriebsbedingungen und der Geometrie der Vorrichtung konzentrieren, um zusätzliche Verbesserungen im Absorptionsprozess der Kohlendioxidabscheidung zu erzielen.
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