Optimierungsbasierte Methoden für den systematischen Entwurf von Vielkomponenten-Rektifikationsprozessen
Final Report Abstract
Bei der Bearbeitung des beantragten Arbeitspaketes zur a-priori Berechnung von Pinchdestillationsgrenzen (PDB) und deren Approximation mit Hilfe von Interpolationspolynomen wurde bereits zu Beginn deutlich, dass diese auf Grund der bereits zuvor berichteten Unterschiede zwischen den verschiedenen Konzepten der Destillationsgrenzen in bestimmten Fällen die erreichbaren Produktkonzentrationen unnötig stark limitieren. Daher wurde beschlossen, zunächst dem im ersten Projektantrag bereits angedachten Punkt einer genauen Analyse der Machbarkeit in Kolonnen bei finitem Rückfluss nachzugehen. Hierbei konnte ein genaueres Verständnis der Bedingungen für eine machbare Trennung entwickelt werden, was zu der Entwicklung eines neuen und generellen Verfahrens für die Bestimmung potentiell machbarer Produkte führte. Das hierzu implementierte Verfahren zeichnet sich durch die Beachtung beider Grenzfälle (totaler Rückfluss und reversible Trennung) aus, und überwindet dabei zuvor aufgekommene Limitierungen. Insbesondere die Bereiche, in denen eine Trennung nur in einem der beiden betrachteten Grenzfälle möglich ist, können besondere Anforderungen an eine solche Trennung stellen. Obwohl diese Bereiche in der Regel nur von geringer Größe sind, können sie einen deutlichen Einfluss auf die Ergebnisse und die Genauigkeit einer Mindestenergiebedarfsrechnung, insbesondere mittels Shortcutverfahren haben. Neben der Betrachtung der Machbarkeitsbedingungen für Kolonnen bei finitem Rückfluss wurde zudem die Verwendung eines pinch-basierten Shortcut-Verfahrens für Trennungen in azeotropen Gemischen abseits von scharfen Schnitten kritisch analysiert und an der Robustheit bestehender Shortcutverfahren gearbeitet. Zudem wurde ein neuartiges Verfahren für die Berechnung von Azeotropen implementiert, welches auf den bereits vorhandenen Fortsetzungsverfahren für die Berechnung von Pinchpunkten und einer Äquivalenz von spezifischen Pinchlinien und den Linien gleicher Flüchtigkeit basiert. Die im Rahmen des parallel bearbeiteten Forschungsvorhabens gesteigerte Robustheit der rigorosen Optimierungsverfahren ermöglicht es zudem, eine größere Variantenzahl im letzten Schritt der rigorosen MINLP-Optimierung zu betrachten.
Publications
- Shortcut-based design of multicomponent heteroazeotropic distillation. Chem. Eng. Res. Des., 2011, 89, 1168– 1189
K. Krämer, A. Harwardt, M. Skiborowski, S. Mitra, W. Marquardt
- Modular equipment design in optimizationbased process synthesis. In: Andrzej Kraslawski and Ilkka Turunen (Eds.): Proceedings of the 23rd European Symposium on Computer Aided Process Engineering, 1039-1045, London, England, 17-20.06.2012
A. Harwardt, M. Skiborowski, W. Marquardt
- Optimization-based Synthesis of Hybrid Separation Processes. Fortschritt- Berichte VDI, Reihe 3 (Verfahrenstechnik), Nr. 934, VDI-Verlag, 2012
K. Krämer
- Shortcut method for the design of extraction columns for multi-component mixture separations. In: Andrzej Kraslawski and Ilkka Turunen (Eds.): Proceedings of the 23rd European Symposium on Computer Aided Process Engineering, 1039-1045, Lappeenranta, Finland, 09-12.06.2013
C. Redepenning, M. Skiborowski, W. Marquardt
- Conceptual design of azeotropic distillation processes. Book on Distillation, Volume 1, Chapter 9, Elsevier, 2014
M. Skiborowski, A. Harwardt, W. Marquardt
