Vortragsfolien Fieg - Hanse Parlament · 20.05.2011 3 Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011 Trennwandkolonne:

20.05.2011

1

Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011

Energieeffizienz in der Prozessindustrie: Bedeutung, innovative

Ansätze und praktische Umsetzung als Ergebnis enger

Zusammenarbeit zwischen Industrie und Hochschule

G. Fieg, C. Brandt, P. Ernst, M. Ajmal, Ch. Hiller

M. Leipold, G. Niggemann, Evonik Degussa GmbH

X. Luo, University of Shanghai for Science and Technology, China

TU Hamburg-Harburg, Institut für Prozess- und Anlagentechnik


1. Leitung seit Dez. 2003

2. z.Z. 40 Mitarbeiter darunter13 Doktoranden

3. Spezialisierung:

� Modellierung� Simulation� Energieminimierung

Institut für Prozess- und Anlagentechnik der TUHH

20.05.2011

2


Produktionsanlage

Prozessmodelierung

Prozesssimulation/Experiment

Prozessführung

Design/Prozessoptimierung

Forschungsphilosophie des Instituts


Energieeffiziente TrenntechnikReaktionen mit

trägerfixierten Enzymen

Innovative Verfahren der Wärmerückgewinnung

Anlagendesign mit überlagertem

Optimierungskriterium

Forschungsschwerpunkte:

20.05.2011

3


Trennwandkolonne: das mathematische Modell

ii1i1-ii VLVL

dt

HUd−−+= +

jii

ji xKy =

1yj

ji =∑

( )ambientilossi, TTkAQ −=

( )Hydraulik ,Stoffwerte phys. Geometrie,f∆p∆ppp ii1-ii =+= ,

( )ulikBodenhydra ,Stoffwerte phys. Geometrie,fUH maxi, =

( ) ( ) ( )=++

dt

Tcmd

dt

Tcmd

dt

hHUdwalli,mpinternalsi,p

liqii

lossi,vapii

liqii

vap1i1i

liq1i1i QhVhLhVhL −−−+= −+−−

C

ABC

A

B


20.05.2011

4


Trennwand

Bereich II

Bereich I

G. Niggemann, G. Fieg, AIChE Annual Meeting, Salt Lake City, USA

Vergleich Simulation/Experiment


Fazit:

1. Das experimentell abgesicherte Simulationstoolstellt die Grundlage für präzises Design von TWK dar

2. Modellbasierte Auslegung von TWK sichert um 30% reduzierten Energiebedarf im Vergleich zu traditionellen Systemen

3. TWK stellt einen innovativen, apparativen Ansatz für Energieminimierung in der Trenntechnik dar

20.05.2011

5



C1

H1

H2

C2

Kühlwasser (€!)

Heizdampf (€!)

warme Prozessströme

kalte ProzessströmeWärmeübertrager

Wärmerückgewinnung: Problemstellung

20.05.2011

6


Hohe Wärmerückgewinnung � Vielzahl von Wärmeübertragern � hohe Investitionskosten

niedrige Wärmerückgewinnung � wenige Wärmeübertrager � hohe Energiekosten (Heizdampf & Kühlwasser)

Innovativer Ansatz: Minimierung einer Optimierungsfunktion

Wärmerückgewinnung in der Prozessindustrie

Minimum (Investitionskosten + Energiekosten)

Lösungsmethode: Genetische Algorithmen

Angestrebtes Ergebnis: Simulationstool


Ch. Brandt, G. Fieg, X. Luo, Heat&Mass Transfer (eingereicht)

Simulationsergebnis

H1

H2

H3

C1

C2

C3

H4

C4

C5

385°C

319.026 kW

H5

H6

C6

C7

C8

C9

C10

516°C

132°C

91°C

217°C

649°C

385°C

471°C

521°C

418,6°C

234°C

266°C

149°C

163,4°C

649°C

221,3°C

30°C

99°C

437°C

78°C

217°C

256°C

49°C

59°C

163°C

219°C

234,9°C

494,4°C 333,7°C

302,7°C

308,6°C

413°C

312,9°C 309,1°C 43°C

159°C

82°C

60°C

43°C

43°C154,7°C265,6°C

626,4°C

505,5°C

25.903 kW

42.281 kW

71.071 kW

54.643 kW

22.061 kW

44.473 kW

27.530 kW

19.739 kW

4.594 kW

12.858 kW

9.982 kW

18.926 kW

18.276 kW

32.402 kW

12.965 kW

2.173 kW

5.841 kW

H1

H2

H3

C1

C2

C3

H4

C4

C5

385°C

319.026 kW

H5

H6

C6

C7

C8

C9

C10

516°C

132°C

91°C

217°C

649°C

385°C

471°C

521°C

418,6°C

234°C

266°C

149°C

163,4°C

649°C

221,3°C

30°C

99°C

437°C

78°C

217°C

256°C

49°C

59°C

163°C

219°C

234,9°C

494,4°C 333,7°C

302,7°C

308,6°C

413°C

312,9°C 309,1°C 43°C

159°C

82°C

60°C

43°C

43°C154,7°C265,6°C

626,4°C

505,5°C

25.903 kW

42.281 kW

71.071 kW

54.643 kW

22.061 kW

44.473 kW

27.530 kW

19.739 kW

4.594 kW

12.858 kW

9.982 kW

18.926 kW

18.276 kW

32.402 kW

12.965 kW

2.173 kW

5.841 kW

31% niedrigere Kosten verglichen mit der Anlage

8.8 Mio. $/a � Anlage

6.1 Mio. $/a � Sim.

20.05.2011

7


Fazit:

1. Innovativer Optimierungsansatz berücksichtigt Ökologie und Ökonomie

2. Entwicklung eines Simulationstools in Zusammenarbeit mit unserem Kooperationspartner eröffnet neue Absatzmärkte in der Prozessindustrie und schont die Umwelt


Katalysator: Candida Antarctica Lipase B (Novozym® 435)

Ölsäure + Decanol → Decyloleat + WasserEnzym

Rührkessel /Flashkammer Pumpe Festbettreaktor

Vakuumanlage

Kreislaufreaktor mit trägerfixierten Enzymen

20.05.2011

8


Temperaturniveau für die Reaktion:

� enzymatisch katalysiert: 60°C

� chemisch katalysiert: 240°C


20.05.2011

9


in,iin w,m&

iin,i M,J

out,iout w,m&

iout,i M,J

dz

i2i

2

axi

Li

z

wD

z

ww

t

wψ+

∂

∂+

∂

∂−=

∂

∂ε

Axiales Dispersionsmodell

Mathematisches Modell für Festbettreaktor

Reaktion 1. Ordnung �� r = k·w


reactor input

reactor output

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

00:00:00 01:00:00 02:00:00 03:00:00 04:00:00

time [hh:mm:ss]

mas

s fr

actio

n a

cid

[g/g

]

Zeit

Mas

sen

ante

il S

äure

Reaktorzulauf

Reaktorablauf

Prozessparameter:mDecanol = 497,2 gmÖlsäure = 890,6 g

xÖlsäure = 0,5009 g/gwÖlsäure = 0,6417 g/g

uLeerrohr = 10,36 mm/sTReaktor = 50 °CpVakuum = 60 mbar

Ölsäure + Decanol → Decyloleat + Wasser

oleic acid

decanol

decyl oleate

water0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

00:00:00 01:00:00 02:00:00 03:00:00 04:00:00

time [hh:mm:ss]

ma

ss

frac

tion

ac

id [g

/g]

Zeit

Mas

sen

ante

il

Wasser Decanol

Ölsäure

Decyloleat

M. Leipold, G. Fieg, Chem-Ing.-Technik, 3(83), 2011, S.340

Rührkessel /Flashkammer Pumpe Festbettreaktor

Vakuumanlage

Sim.Exp.

20.05.2011

10


Fazit:

1. Geschickte Katalysatorwahl verringert das Temperaturniveau für die Reaktion und reduziert den Energiebedarf

2. Durch höhere Selektivität der Reaktion entfällt die energieintensive Aufarbeitungdes Reaktionsgemisches

3. Enzymkatalysierte Reaktionen stellen –energetisch betrachtet- einen hochinteressanten Ansatz für die Prozessindustrie dar


Zusammenfassung

I/ Es wurden drei Ansätze für die Erhöhung der Energieeffizienz in der Prozessindustrie vorgestellt:

� Innovative, apparative Idee im Bereich der Trenntechnik

� Geschickte Katalysatorwahl für die Reaktionsdurchführung

� Effektive Wärmerückgewinnung an Produktionsanlagen

II/ Enge Zusammenarbeit mit unseren Kooperationspartnern ist sehr wichtig,da dadurch eine unmittelbare Kopplung zwischen Theorie und Praxis mit Fokus auf Anwendung und Energieeffizienz in der Prozessindustrie entsteht

20.05.2011

11


Danksagung an:

• Cetec Destillationstechnik GmbH• Cognis GmbH, • Encos GmbH• Ing.-Büro Dr. Schoop• Julius Montz GmbH, Hilden • Sasol Germany GmbH, Brunnsbüttel• XRG Simulation GmbH• BASF

• Max-Buchner-Stiftung (MBFSt-Kennziffer: 2808)• Stadt Hamburg, Promotionsstipendium• AiF (KF2267704RR0, KF 0648401SS8, IGF-Nr. 14996, KF 2267702OH9)• Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission (No. 07ZZ89)

Doktoranden

• Herren: Ajmal, Brandt, Ehlers, Ernst, Gruetzmann, Hiller, Niggemann• Damen: Buck, Kleeberg, Vargas

Unzählige Studienarbeiter, Diplomanden, HiWi‘s

Documents

Vortragsfolien Fieg - Hanse Parlament · 20.05.2011 3 Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011 Trennwandkolonne: