Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate Majella von Zahn 23. Januar 2013

Gliederung  Einleitung  Wichtige verfahrenstechnische Apparate Mischer  Reaktor Splitter  Rektifikationskolonne  Bestehende Simulatoren  Anforderungen an einen Simulator  Entwurf einer Datenstruktur  Ausblick Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 2

Einleitung  1908: Vorstellung des Ford Modell T 20 PS Höchstgeschwindigkeit: 72 km/h  stellte mehrere Rekorde auf Preis: $ 850 (’09) bei einem damalig sehr guten Tagesgehalt von $ 5 + $100 für Windschutzscheibe, Verdeck, Scheinwerfer, Reserverad  1913: 1. Fließbandproduktion eines Autos Preis: $ 350 (‘16)  1918: Hälfte aller amerikanischen Autos sind T-Modelle  1923: Drittel aller Autos sind T-Modelle  Bis 1927: 15 Mio. verkauft (Design kommt aus der Mode)  Verkaufsrekord erst 1972 durch den Käfer gebrochen Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 3

Einleitung  Optimierung der Produktionsanlagen: größer, schneller, billiger  Wachsende verfahrenstechnische Anlagen  leistungsfähigere Fließbildsimulatoren erforderlich AspenPlus Insynto  In der Verfahrenstechnik werden kontinuierliche Prozesse simuliert Potential an programmierten Modellen Anhand von verfahrenstechnischen Apparaten Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 4

Verfahrenstechnische Apparate  Baueinheit zur Umsetzung von Stoffen / Energie […]  Baueinheit  Stoffumwandlung Fließbild besteht Model T: Motor wird montiert  Stoffumwandlung: Gemisch von Komponenten  Gemisch setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen  Z.B: Luft aus u.a. Sauerstoff und Stickstoff Keine / kaum mechanische Arbeit:  Kraft trifft längs eines Wegs auf einen Körper  Mechanisch übertragene Energie Meist ohne bewegte, nach außen geführte Teile zur Kraftübertragung, nur mit untergeordneter Bedeutung für die Funktion des Apparates Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 5 EingangsgemischAusgangsgemisch EduktProdukt

Mischer  Umpositionierung der Bestandteile durch Relativbewegung […]  Wichtigstes Kriterium: Homogenität des Gemischs Jede Zufallsprobe enthält die Zusammensetzung des Gemischs  Einflussfaktoren: Mischzeit, Energie  Spezieller Mischer: Betonmischer Bestandteile:  Zement  Wasser Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 6

Mischer  Umpositionierung der Bestandteile durch Relativbewegung […]  Wichtigstes Kriterium: Homogenität des Gemischs Jede Zufallsprobe enthält die Zusammensetzung des Gemischs  Einflussfaktoren: Mischzeit, Energie  Spezieller Mischer: Rührer Bestandteile  Eier  Milch  Mehl Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 7

Mischer  Umpositionierung der Bestandteile durch Relativbewegung […]  Wichtigstes Kriterium: Homogenität des Gemischs Jede Zufallsprobe enthält die Zusammensetzung des Gemischs  Einflussfaktoren: Mischzeit, Energie  Spezieller Mischer: Strömungsrohr Bestandteile strömen durch ein Rohr Einbauten teilen den Strom und führen ihn wieder zusammen Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 8

Mathematische Beschreibung eines Mischers Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate o3 Einführung 9 EdukteProdukt

Reaktor  Mischer, in dem eine Reaktion stattfindet  Satzweiser Betrieb Zuerst alle Reaktanten hinzufügen Dann alle Produkte entnehmen  Kontinuierlicher Betrieb Rührkessel Strömungsrohr  Modellierung wie beim Mischer… Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 10 EdukteProdukt AB Reaktion Stoff

Mathematische Beschreibung eines Reaktors Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 11 neu beim Reaktor Mischer

Splitter Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 12

Spezieller Splitter: Rektifikationskolonne  Rektifikationskolonne Trennt Vielstoffgemische  Rohölfraktionierung: Kerosin, Benzin, Diesel  Alkoholdestillation Apparateeigenschaften beeinflussen die Split-Faktoren  Höhe einer Destilationskolonne, p, D, Qv  Mathematische Modellierung:  Wie beim Splitter ein Eingangsstrom und zwei Ausgangsströme Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 13

Bild der Rektifikationskolonne Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 14

Komplexe Rektifikationskolonne  Kolonne mit weiteren Zu- oder Abläufen  lässt sich als Verschachtelung von Mischern und Splittern beschreiben  Verbindung von zwei Splittern  5 Ströme Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 15

Einleitung Fließbildsimulatoren  Zusammenfassung verfahrenstechnischer Apparate Jeder Apparat kann modelliert werden Stoffmengenbilanzen sind bekannt  Fließbildsimulatoren erfassen verschiedene Apparate stellen Stoffmengenbilanzen auf berechnen Freiheitsgrößen Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 16

PT-Methoden  Entwickelt am Lehrstuhl für Prozesstechnik (AVT)  Berechnet verfahrenstechnische Apparate Mindestenergiebedarf  Screenshot der EEToolbox: Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 17

Bestehende Simulatoren  AspenPlus Entwickler: Aspen Technology, Inc. Kommerziell erhältlich In der Industrie sehr verbreitet Nutzt  Interne Stoffdatenbank  Massen- und Energiebilanzen  Tools zur Kostenberechnung, Sensitivitätsanalyse, Fallstudienbetrachtung Nachteile:  Teuer  Nicht erweiterbar Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 18

Bestehende Simulatoren Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 19  Insynto Integrated Synthesis Toolbox (Integrierter Synthese-Werkzeugkasten) Entwickler: Aixcape Zusammenarbeit mit: BASF, EVONIK, TOTAL, Bayer, LANXESS, AIRPRODUCTS, BR, Dow und AVT  Nachteile Nicht erweiterbar Bugs Keine einheitliche Datenstruktur

Anforderungen an einen Simulator  Simulator sollte folgende Anforderungen erfüllen Software ist modular und erweiterbar  Unabhängigkeit zwischen Programm und Daten  Einsatz des MVC-Patterns (Model – View – Controler) Fehlerfreiheit (  Unit-Tests) Benutzbarkeit  Übersichtlichkeit der Oberfläche Volle Funktionalität  Simulation ganzer Kolonnen  Anbinden von beliebigen Solvern Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 20

Entwurf einer Datenstruktur Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 21

Entwurf einer Datenstruktur Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 22 UnitOperation: -Apparat / Komponente -Ports -Algorithmen -  bel. erweiterbar

Entwurf einer Datenstruktur Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 23 Auch hier können beliebig viele unterschiedliche Gleichungslöser angebunden werden

Entwurf einer Datenstruktur Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 24

Entwurf einer Datenstruktur Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 25 Rektifikations -kolonne

Entwurf einer Datenstruktur Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 26 Komponenten -Zulaufsstrom -Ablaufsstrom

Ausblick  Bachelorarbeit: Implementation eines Simulators Programmiersprache: wahrscheinlich Matlab Anbindung an die PT-Methoden Eventuelle Einbindung in Insynto Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 27

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Quellen  images/2007/10/03/8/254d a5b46a870ce1608f442_image_document_large_featured_borderless.jpg images/2007/10/03/8/254d a5b46a870ce1608f442_image_document_large_featured_borderless.jpg        hahn-4dc jpg hahn-4dc jpg      Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 29

Bestehende Simulatoren Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 30 Aspen  Man braucht keine Lizenz. Wählt man beim ersten Start von Aspen „Academic User“, braucht man sich nicht einmal registrieren. Insynto  Bei Insynto braucht man eine Lizenz. Diese wird aber nach wenigen Tagen per zugeschickt.

Bestehende Simulatoren Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 31

Bestehende Simulatoren  Aspen  Aspen ist ziemlich unübersichtlich (s. letzte Folie)  Insynto  Insynto ist deutlich übersichtlicher Toolbox enthält nur die wichtigsten Funktionen  Insynto  Insynto enthält aber leider noch Bugs Fließbildberechnung verfahrenstechnischer Apparate 32