Optimierungsbasierte Entwurfsmethodik für Membran-Rektifikation-Hybridprozesse

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andrzej Górak; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Marquardt
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 149546821

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Es konnten wesentliche Fortschritte erzielt werden. Nachdem eine erste Membranauswahl, -charakterisierung und Modellierung des Stofftransports erfolgt war, zeigten erste Vergleichsrechnungen mit einem zusätzlich ausgelegten, rein destillativen Referenzprozess, dass das wirtschaftliche Potential eines membrangestützten Hybridprozesses für die ausgewählte Fallstudie nicht ausreichend groß war. Basierend auf dieser Erkenntnis wurde eine Anpassung der Zielsetzung beschlossen. Auf Seiten des Lehrstuhls für Fluidverfahrenstechnik (FVT) wurde weiterhin an einer rigorosen Membranmodellierung (AP 4) sowie einer Strukturoptimierung der detaillierten Stofftransportmodelle mittels evolutionären Algorithmen (AP 7) und einer experimentellen Validierung im Technikumsmaßstab (AP 8) festgehalten. Auf Seiten der Aachener Verfahrenstechnik - Prozesstechnik (AVT.PT) wurde hingegen der Fokus auf den konzeptionellen Entwurf verschiedener Hybridprozesse verlagert, um neben Membran-Rektifikation-Hybridprozessen und rein destillativen Trennprozessen auch alternative Trennprozesse unter Ausnutzung von Flüssigphasenzerfall, wie Heteroazeotroprektifikation oder Flüssig-Flüssig-Extraktion, mittels gemischt-ganzzahliger Optimierung robust zu entwerfen. Hierzu wurde zusätzlich ein hybrider Optimierungsansatz erarbeitet, welcher in einem überlagerten evolutionären Algorithmus sowohl die Startstrukturen des lokalen Optimierungsansatzes variiert, als auch komplexe diskrete Entscheidungen für den Prozessentwurf optimiert. Dementsprechend wurden die Arbeiten in AP 6 wesentlich ausgeweitet. Durch die vorgenommene Anpassung ist es möglich, mittels der erarbeiteten Methoden, sowohl eine detaillierte Auslegung von Membran-Rektifikation-Hybridprozessen als auch eine frühzeitige Evaluation verschiedener hybrider Trennprozesse auf der Basis effizienter gemischt-ganzzahliger Optimierungsrechnungen durchzuführen. Hierdurch kann zunächst eine Validierung des wirtschaftlichen Potentials von Membran-Rektifikation-Hybridprozessen gegenüber möglichen Alternativprozessen erfolgen, bevor weiterer Aufwand für eine detaillierte Modellierung und experimentelle Validierung des Hybridprozesses getrieben wird. Um den notwendigen experimentellen Aufwand auf ein Minimum zu reduzieren, wurde zudem der Einsatz von Methodiken zur modellgestützten experimentellen Analyse und optimierungsbasierten Versuchsplanung untersucht. Im Rahmen des Projektes konnten die verschiedenen entwickelten Methodiken neben dem im Antrag vorgestellten Stoffsystem an weiteren, teilweise auf Literaturdaten basierenden Fallstudien validiert werden. Die erarbeiteten Methoden konnten zudem gewinnbringend in angrenzende Forschungsprojekten eingebracht werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A general process design methodology for membrane-asissted hybrid processes - Deterministic mixed-integer process optimization. In: Proceedings of the 3rd European Process Intensification Conference, IChemE, Pages 37-45, Manchester, United Kingdom, 20-23.06.2011
  M. Skiborowski, K. Kraemer, W. Marquardt
  
• A novel approach to hybrid evolutionarydeterministic optimization in process design. In: Andrzej Kraslawski and Ilkka Turunen, Editor(s), Computer Aided Chemical Engineering, Elsevier, 2013, Volume 32, Pages 961- 966
  M. Skiborowski, M. Rautenberg, W. Marquardt
  
• Conceptual design of distillation-based hybrid separation processes, Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng., 2013, 4, 45–68
  M. Skiborowski, A. Harwardt, W. Marquardt
  
• Optimization-based design method for membrane-assisted separation processes. Chem. Eng. Process., 2013, 67, 2–15
  K. Koch, D. Sudhoff, S. Kreiß, A. Górak, P. Kreis
  
• Efficient optimization-based design for the separation of heterogeneous azeotropic mixtures, Comp. Chem. Eng., 2014
  M. Skiborowski, A. Harwardt, W. Marquardt
  
• Pervaporation of binary and ternary mixtures of acetone, isopropyl alcohol and water using polymeric membranes: Experimental characterisation and modelling. Chem. Eng. Sci., 2014, 115, 95–114
  K. Koch, A. Górak
  
• Synthesis of dimethyl carbonate and propylene glycol in a membrane-assisted reactive distillation process: Pilot-scale experiments, modeling and process analysis, Chem. Eng. Process., 2014
  J. Holtbruegge, M. Wierschem, P. Lutze