Dynamische Modellierung und Optimierung eines Ammoniaksynthesereaktors

Im Zuge der Energiewende gewinnen Power-to-X-Konzepte zur Umwandlung erneuerbaren Stroms in chemische Energieträger zunehmend an Bedeutung. Ein besonders vielversprechender Energieträger ist Ammoniak, da es kohlenstofffrei ist und im Vergleich zu Wasserstoff unter deutlich milderen Bedingungen gespeichert und transportiert werden kann. Eine lastflexible Ammoniaksynthese zur Berücksichtigung der fluktuierenden Verfügbarkeit erneuerbarer Energien stellt daher einen wesentlichen Baustein zukünftiger Energiesysteme dar. 

Ammoniak zählt aufgrund seiner zentralen Bedeutung für die Düngemittelproduktion bereits heute zu den wichtigsten Chemikalien weltweit und wird seit Jahrzehnten industriell unter stationären Bedingungen nach dem HABER-BOSCH-Verfahren hergestellt. Dabei kommen überwiegend adiabatische Hordenreak-toren zum Einsatz, die aus mehreren hintereinandergeschalteten katalytischen Festbetten mit Zwischenkühlung bestehen. Infolge der freiwerdenden Reaktionswärme steigt im ersten Bett die Temperatur stark an, sodass sich der Reaktionspfad im Temperatur-Umsatz-Diagramm schnell dem thermo-dynamischen Gleichgewicht annähert. Durch gezielte Kühlung zwischen den Betten wird die Temperatur abgesenkt, sodass die Reaktion im nachfolgenden Bett erneut mit hoher Triebkraft fortgesetzt werden kann. 

Für eine lastflexible Betriebsweise ist ein detailliertes Verständnis des dynamischen Reaktorverhaltens erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines dynamischen Modells eines Ammoniaksynthesereaktors mit Zwischenkühlung. Die Zwischenkühlung kann dabei sowohl indirekt über Wärmetauscher als auch direkt durch Zugabe kalter Reaktanden erfolgen. Auf Basis des Modells sollen Temperatur- und Umsatzprofile sowie der Einfluss der Zwischenkühlung auf das dynamische Betriebsverhalten systematisch untersucht, analysiert und gegebenenfalls optimiert werden. Die genaue Aufgabenstellung kann an die individuellen Interessen angepasst werden.