Optimization based synthesis of hybrid separation processes

  • Optimierungsbasierte Synthese hybrider Trennverfahren

Krämer, Korbinian; Marquardt, Wolfgang (Thesis advisor)

Düsseldorf : VDI-Verl. (2012)
Doktorarbeit

In: Fortschritt-Berichte VDI : Reihe 3, Verfahrenstechnik 934
Seite(n)/Artikel-Nr.: XIV, 229 S. : graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

Hybride Trennverfahren bieten durch die Verschaltung unterschiedlicher Grundoperationen Vorteile gegenüber herkömmlichen Trennverfahren hinsichtlich der Energieeffizienz und der Überwindung von Trenngrenzen. Somit ermöglicht der Einsatz von Hybridprozessen eine entscheidende Reduzierung des energetischen und apparativen Aufwands für die Auftrennung azeotroper und engsiedender Mehrkomponentengemische. Trotz der inhärenten Vorteile der Hybridverfahren werden diese bisher nur sehr begrenzt in der Industrie eingesetzt. Ein entscheidender Grund hierfür liegt in der fehlenden Modellierungserfahrung. Zudem wird die Komplexität des Prozessentwurfs durch die aus der Verschaltung der Grundoperationen resultierenden Vielzahl an strukturellen und operativen Freiheitsgrade deutlich erhöht. Daraus ergibt sich eine Mannigfaltigkeit an denkbaren Prozessvarianten, die im Prozessentwurf hinsichtlich Machbarkeit und wirtschaftlichem Potenzial untersucht werden müssen. Zielsetzung dieser Arbeit ist daher die Entwicklung leistungsfähiger Modellierungswerkzeuge für den Entwurf hybrider Trennverfahren, die den Zeitaufwand und die Komplexität der Prozesssynthese reduzieren und damit entscheidend zur Akzeptanz hybrider Prozesse beitragen können. Der Prozessentwurf soll dabei systematisch und mit Hilfe von rein algorithmischen Methoden erfolgen, die eine Anwendung von Optimierungsalgorithmen erlauben. Nur auf diese Weise kann ein effizienter Entwurf optimaler Hybridprozesse für nicht-ideale Gemische mit beliebiger Komponentenzahl erzielt werden. Die Entwicklung der Entwurfsmethoden in dieser Arbeit basiert auf der Systematik eines in Vorgängerarbeiten entwickelten Syntheserahmenwerks, das aber bisher nur für rein destillative Trennprozesse angewandt werden konnte. Dieses Rahmenwerk begegnet der Komplexität des Prozessentwurfs durch eine mehrstufige Vorgehensweise mit schrittweise erhöhtem Detaillierungsgrad der Modellformulierungen. Dabei wird die Dimensionalität der Entwurfsprobleme durch die sukzessive Eliminierung von Lösungsvarianten reduziert. Im ersten Schritt, der Variantengenerierung, werden Prozessvarianten für das zu trennende Gemisch generiert. Diese Fließbildvarianten werden im zweiten Schritt mit robusten und effizienten Näherungsverfahren hinsichtlich Machbarkeit und Energiebedarf evaluiert. Im dritten Schritt wird dann eine Auswahl erfolgversprechender Varianten mit rigorosen Modellen hinsichtlich der Gesamtkosten optimiert, um schließlich die beste Trennsequenz am optimalen Betriebspunkt zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit wird dieses Syntheserahmenwerk erweitert, so dass die Entwurfsmethodik auch für Hybridprozesse angewandt werden kann, in denen Destillation mit Dekantierung, Extraktion, Kristallisation oder Reaktion kombiniert wird. Zu diesem Zweck wurden leistungsfähige Näherungsverfahren für die Evaluierung von Heteroazeotropdestillation, Extraktion, Kristallisation und Reaktivdestillation entwickelt. Weil diese Näherungsverfahren rein algorithmisch sind, kann die Evaluierung von Prozessfließbildern in eine Optimierungsaufgabe überführt werden, die einen effektiven Vergleich alternativer Varianten am optimalen Betriebspunkt erlaubt. Dank der numerischen Effizienz der Näherungsverfahren beträgt die Rechenzeit für die Minimierung des Energiebedarfs von Trennprozessen mit mehreren Apparaten und Rückführungen nur wenige Sekunden. Eine zentrale Aufgabe der vorliegenden Arbeit war zudem die Formulierung von gemischt-ganzzahligen Optimierungsproblemen basierend auf rigorosen Stufenmodellen für alle betrachteten Trennoperationen. Anhand dieser Modelle können im dritten Schritt des Rahmenwerks Informationen über die optimalen Apparatekonfigurationen und die minimalen Betriebs- und Investitionskosten gewonnen werden. Die Lösungseigenschaften dieser komplexen Optimierungsprobleme konnten durch die Initialisierung mit den Ergebnissen der näherungsweisen Evaluierung und die kontinuierliche Reformulierung des gemischt-ganzzahligen Problems entscheidend verbessert werden. Der Entwurf hybrider Trennprozesse anhand des entwickelten Syntheserahmenwerks wird an zahlreichen, zum Teil großtechnischen Fallbeispielen demonstriert. Dabei werden Gemische mit mehr als drei Komponenten und Probleme aus der industriellen Praxis betrachtet. Es wird gezeigt, dass der optimierungsbasierte Entwurf im vorgestellten Rahmenwerk zu energieeffizienteren und kostengünstigeren Prozessen im Vergleich zu konventionellen Lösungen führen kann.

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