close

Anmelden

Neues Passwort anfordern?

Anmeldung mit OpenID

Anlagenengineering Aufgaben f. CHEMCAD-Praktikum

EinbettenHerunterladen
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
ANLAGEN‐ENGINEERING CHEMSTATIONS –PROCESSSIMULATION Aufgabensammlung
für Studierende aus dem Studiengang:
Chemische Verfahrenstechnik
Sommer/Winter 2014/2015
Rührkessel-Versuchsanlage Fh-IVV
Fachhochschule Münster
Fachbereich Chemieingenieurwesen
Prof. Dr.-Ing. Andreas Wäsche
Stegerwaldstr. 39
48565 Steinfurt
Fon: +49(0)2551 9-62467
Fax: +49(0)2551 9-62711
waesche@fh-muenster.de
www.fh-muenster.de
14 211 CC Aufgaben
1 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Inhalt Vorbemerkung zu den Zielen des Praktikums ............................................................ 3 1 Roadmap Prozess-Simulation ................................................................... 6 2 Aufgabe CHEMCAD-Palette ...................................................................... 9 3 Anwendung Programmsteuerung Menüleiste View und Format ................ 9 4 PFD für einen Verdampfer ....................................................................... 10 5 PFD unter Anwendung von Template und Layer ..................................... 11 5.1 Erarbeiten der Vorteile von Explorer/Template/Unit Op ........................... 12 5.2 Erarbeiten der Vorteile von Explorer/Template/Stream ........................... 12 5.3 Ergebnisdarstellung mit ChemCad im PFD (Layers) ............................... 13 6 Dichte von Ethanol- Wasser .................................................................... 14 7 Funktion des Backward-Controllers und CC-Explorer-Funktionen
anwenden ................................................................................................ 15 8 Phasengleichgewichte VLE (Ü1) ............................................................. 16 9 Flashberechnung mit Recycle (Ü2).......................................................... 16 10 Energiebilanz erstellen und Latente Wärme für Brüden bestimmen ........ 16 11 Rektifikation eines binären Systems ohne Azeotrop – Trennung eines
Methanol-Wasser – Gemisches (Ü3) ....................................................... 17 12 Destillative Trennung eines heteroazeotropen Gemisches (ButanolWasser) (Ü4) ........................................................................................... 18 13 Trennung des azeotropen Gemisches Benzol/Cyclohexan mittels
Extraktivrektifikation. (Ü5) ........................................................................ 19 14 Kühlung von „Thermalöl“ mit Kühlwasser im Rohrbündelwärmetauscher
(Ü6).......................................................................................................... 20 15 Sensitivitätsstudie (z.b. Sattdampf aus Dampfdrossel) ............................ 21 15.1 Teil 1 ........................................................................................................ 21 15.2 Teil 2 ........................................................................................................ 21 16 Trouble Shooting ..................................................................................... 22 17 Anhang Anlagen-Engineering .................................................................. 23 17.1 Dichte von Ethanol-Wasser ..................................................................... 24 17.2 DIN und ISO -Rohre ................................................................................ 26 18 18.1 Lösungsteil .............................................................................................. 27 Phasengleichgewichte VLE (Ü1) ............................................................. 28 18.2 Funktion des Backward-Controllers und CC-Explorer-Funktionen
anwenden .............................................................................................................. 29 18.3 Energiebilanz erstellen und Latente Wärme für Brüden bestimmen ........ 34 14 211 CC Aufgaben
2 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
18.4 Rektifikation eines binären Systems ohne Azeotrop –
Trennung eines Methanol-Wasser – Gemisches (Ü3) ............................. 36 18.4.1 Short Cut Methode............................................................................. 36 18.4.2 SCDS-Methode ................................................................................. 37 18.4.3 Zusammenfassung der Sensitivitätsanalyse ...................................... 42 18.5 Destillative Trennung eines heteroazeotropen Gemisches
(Butanol-Wasser) (Ü4) ............................................................................. 42 18.6 Trennung des azeotropen Gemisches Benzol/Cyclohexan
mitttels Extraktivrektifikation. (Ü5)............................................................ 45 18.7 Sensitivitätsstudie (z.b. Sattdampf aus Dampfdrossel) ............................ 46 18.8 Teil 1 ........................................................................................................ 47 18.9 Teil 2 ........................................................................................................ 47 Vorbemerkung zu den Zielen des Praktikums Dieses Rechner-Praktikum gehört zum Modul Prozess-Engineering. In dem RechnerPraktikum wird der Umgang mit einer Prozess-Simulation an Hand von Aufgaben aus
der thermischen Verfahrenstechnik erklärt und geübt.
Die Prozess-Simulation ist ein besonders wichtiges Instrument im Basic und Detail
Engineering, da hiermit wesentlich Stoffdaten, Medienverbräuche oder auch Apparategrößen bestimmt werden können.
Das Praktikum zielt auf den fachlichen Umgang mit der Prozess-Simulation. Vor dem
verfahrenstechnischen Hintergrund werden im Praktikum Aufgaben aus der thermischen Verfahrenstechnik sowohl mit dem Programm als auch vom konzeptionellen
Ansatz „zu Fuß“ gelöst.
Dieses Vorgehen kostet Zeit, es bewahrt die Studenten vor dem schnellen Erreichen
von stochastisch1 verteilen Simulationsergebnissen.
Die erarbeiteten Lösungen sollen stets mit den Zielen der optimalen technischen
Funktion, der besten Energieeffizienz, der inhärenten Anlagensicherheit und besten
Kostenoptionen ausgelegt werden. Höhe Drücke, hohe Temperaturen und aufwendige Apparate sind zu vermeiden, wenn effektivere und effizienter Lösung möglich sind. Durch Sensitivitätsstudien werden Effekte der apparativen Auslegung auf
die Energieeffizienz des modellieren Verfahrens dargelegt.
1
(Stochastik- Zufallsmathematik z.B. Münzwurf)
14 211 CC Aufgaben
3 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Die Aufgaben, die mit Ü1 bis Ü6 gekennzeichnet sind, sind im Praktikum sicher und
vollständig zu lösen. Die anderen Aufgaben runden das Praktikum ab und sollen die
Fähigkeiten verbessern.
14 211 CC Aufgaben
4 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
14 211 CC Aufgaben
5 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
1 Roadmap Prozess‐Simulation In diesen Kapitel „Roadmaps“ wird die Richtung des Arbeitsflusses dargestellt.
Bevor die systematische Bearbeitung der Aufgaben (Jobs) mit dem Programm beginnt muss die Aufgabenstellung (Pflichtenheft) in ein Lastenheft übertragen werden.
Im Pflichtenheft wird die Aufgabestellung bestätigt und für die Bearbeitung vorbereitet. Zum Beispiel wird klar, dass wir die Aufgabe als „Job“ lösen und dafür bestimmte
Zeit zur Verfügung haben. Wir legen auch die Modellbedingungen fest (isobar, isotherm oder adiabat). Die folgende Tabelle beschreibt einen Arbeitsablauf (work flow)
für den Umgang mit der Prozess - Simulation.
Nr.
1
Funktion
To do
Job anlegen
Bemerkung
Laufwerk Z
2
SI- Einheiten festlegen
3
Components nach Pflichtenheft eingeben
4
Thermodynamik mit Wizard beraten, Prozessbedingung (p, T) beachten
5
Bedingung Pflichtenheft und Wizard passen
Ja, weiter,
nein ändern
6
Thermodynamisches Modell festlegen
7
Bei NRTL: BIP’s_daten Vollständig
Ja weiter,
nein Auffüllen mit Unifac (Handbuch)
8
Phasendiagramm für Isobar oder Isotherme erstellen (x-y und x,y, T), Lage Leichtsieder beachten
9
Phasendiagramm passt zum Job?
Nein: zu 4
10
Erstes Modellergebnis notieren:
Ergebnis
z.b. Zusammensetzung v. Azeotrop, Schwere-
dokumentie-
und Leichte Phase; eignen Massen- und Energie-
ren!
bilanz ermitteln (z.B. auf xy.pdf mit Notiz)
14 211 CC Aufgaben
6 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
11
Prozessfließbild (PFD) erstellen, Unit Op’s auswählen (z.B. LLVF für eine Stoffsystem mit Mischungslücke im x,y Diagramm)
12
PDF vervollständigen: Streambox, Unitbox definieren, Layers planen
13
Job mit Jobnummer speichern
14
Jobbox festlegen und ggf. auf Layer legen
15
Job mit Jb speichern
16
Units schrittweise parametrieren
17
Option: Controller Programmieren
18
Units schrittweise modellieren
18a
Funktion im PDF prüfen (geht es in der Praxis)
Nein, zusätzlich Unit
op einführen
od. Prozessdaten
ändern
Rückschritt
zu 16
19
Konvergenz prüfen: Wurde Pflichtenheft erfüllt?
Bei Nein
Rücksprung
zu 16 od.
17,
ggf. bei
Controller
Toleranz auf
10e-5 senken
20
Massenbilanz prüfen
Bei Nein
Rücksprung
zu 16 od. 17
14 211 CC Aufgaben
7 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
21
Energiebilanz prüfen
Bei ja Wert
notieren, bei
nein Rücksprung zu
16 od. 17
22
Lösung speichern
Ende oder
Sensitivität
23
Sensitivität programmieren
z.b.:
Reboiler duty as function of N Stages
Reflux ration al function of 1st Feed Stage
24
Edit Sensitvity
Stellgröße festlegen (duty, refux, …)
25
Run Sensitivity
25
Konvergenz erzielt?
26
Plot Sensitivity
27
PDF-Print Out dokumentieren
Sonst zu 24
Glossar
Entscheidung
Eingabe, Ausgabe
Bearbeitung
Vor dem Lösungsteil befindet sich ein Kapitel mit Hinweisen und Meilensteinen im
Umgang mit dem Programm, die eng mit den Aufgaben verbunden sind.
14 211 CC Aufgaben
8 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
2 Aufgabe CHEMCAD‐Palette Bilden Sie pro Sitzreihe eine Gruppe. Aus jeder Gruppe wird ein Experte für die Paletten:
-
Hx,
-
Piping,
-
Reactor,
-
Separator,
-
Soild Handling bestimmt.
Die Experten bilden für 30 min je eine Expertengruppe und erarbeiten die Eigenschaften der Elemente der Paletten. Danach informieren die Experten ihre Gruppenmitglieder über die Eigenschaften der Paletten.
Zurück in der Gruppe:
a) Jeder Experte erklärt seine Palette der Gruppe
b) Jeder sucht mit der Search – Funktion nach „Filter“, speichern die Search Palette als „AW Filter“ und fügen die Icons für „Feed“, „Stream“ und „Product“ in
die Palette ein. ((In „All Unit Ops“ Icon mit rechter Maustaste auswählen und
„Insert to ..“ wählen.
Lernziel: Kennenlernen Teilnehmer und Programmfunktionen „Unit Op’s“
3 Anwendung Programmsteuerung Menüleiste View und Format Wählen Sie: Explorer, Status, Palette, Toolbar und Engineering Unit „Alt SI“ und €.
Lernziel: Programmfunktionen Einstellungen und Ansichten
14 211 CC Aufgaben
9 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
4 PFD für einen Verdampfer Erstellen Sie ein PFD für einen einstufigen Verdampfer für ein Stoffsystem mit Mischungslücke. Es sollen 1000 kg/h pro Stunde Zulaufen
Stoffsystem: 50 gew-% Isobutanol/ 50 gew-%Wasser
Xy Diagramm darstellen,
Hinweis:
Unit Op. Flash LLVF,
Verdampfung: 0,1 Molanteile, Druck:1 bar
Ströme als Tabelle (Stream box) darstellen und Ergebnis mit Erwartung nach xy-Diagramm vergleichen (Azeotrop, Leichte und Schwere Phase).
Lernziel: Erstellen xy-Diagramm und Vergleich der Stoffstromzusammensetzung mit
drei Punkten (Azeotrop, Mischungslücke links Mischungslücke recht), Anpassung der
Feedzusammensetzung.
14 211 CC Aufgaben
10 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
5 PFD unter Anwendung von Template und Layer Erstellen Sie ein PFD mit einer Pumpe die 10 t/h Wasser (Option Ethanol) von 1 bar
auf 6 bar oder optional 8 bar fördert.
Druckseitig schließt sich eine Rohrleitung mit folgenden Daten an:
Stahl (glatt), 50 m, 4 x 180 ° Umlenkungen, 2 x Butterfly, 1 x Check Valve.
Bestimmen Sie den Druckverlust für 2 m/s und optional 1 m/s und stellen Sie die
Grafik des berechneten Druckverlustes (pdf) dar.
Verwenden Sie die Funktionen Stream box, Job box, Unit box als Layer!
Diskutieren Sie die Effizienz der Strömungsgeschwindigkeit auf den Druckverlust!
Lernziel: Effiziente Rohrleitung und Programmfunktion „Pipe“
Halbe Leerrohrgeschwindigkeit = ein viertel Druckverlust.
Hinweise:
Im CHEMCAH werden für die Unit Op „Pipe“ unterschiedliche Methoden (fluid flow)
angeboten. Tabellen mit „kg/m; da, s, di“ für DIN und ISO Rohrleitungen im Anhang
Allgemeiner Ansatz für den Druckverlust lautet:
Hinweise:
Druckverlust: Dp = lambda x L/di X rho x w²/2
Engineeringkonflikt:
Investkosten = di^2
Betriebskosten = 1/(di^5)
Rohrrauhigkeit [mm]:
Kupfer
Stahl (nahtlos)
Beton (glatt)
0,0013-0,015
0,1-0,02;
0,3-0,8
1. Näherung Strömungsgeschwindigkeit [m/s]
Flüssigkeiten:
0,5 – 3 m/s di 10 – 200 mm
Gase 1 bar:
3 – 20 m/s 1 di 0 – 200 mm
Reynoldszahl f. Rohrströmung [-]
Medieneigenschaften beeinflussen die optimale Strömungsgeschwindigkeit.
Re = w x d x rho / eta [(m/s) x (m) x (kg/m³)/Pa s]
Laminar < Re 2300 < turbulent
Dynamischer Druck [N/m²]
Pdyn = rho x w² [(kg/m³) x (m/s)^2]
F-faktor [(N/m²)^0,5]
f-faktor = rho^0,5 x w [(kg/m³)^0,5 x (m/s)]
14 211 CC Aufgaben
11 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
5.1 Erarbeiten der Vorteile von Explorer/Template/Unit Op
Erstellen Sie ein PFD mit einer Pumpe, die 10 t/h Wasser von 1 bar auf 6 bar bespannt. Wie hoch ist die Förderhöhe der Pumpe bei 8 bar.
Lernziel: Formel Förderhöhe und Programmfunktion „Template Unit OP“
Formel:
Merke: Förderhöhe [m] = (paus-pein) [bar]/ g [m/s²]/ Dichte *100
Merke: Pumpenhersteller fragen häufig nach Förderhöhen und Medium, dort geht die
Dichte des Mediums ein. y
5.2 Erarbeiten der Vorteile von Explorer/Template/Stream
Erstellen Sie ein PFD mit einer Pumpe, die 10 t/h Wasser oder 10 t/h Ethanol von 1
bar auf 6 bar bespannt.
Lernziele: Formel Pumpenleistung und Programmfunktion „Template Stream“
Hier steigt die Pumpenleistung um den Faktor 1.3, weil der Volumenstrom bei Ethanol um den Faktor 1.3 größer ist als bei Wasser
Eta Wirkungsgrad z.b. 75 %
Merke: Pumpenleistung= V*p/eta = [m³/s x N/m²] = Nm/s=W
Zur Kontrolle der „Templates“ muss die „Engineering Unit Selection“ auf MASS/MOL:
„lbmol“ und Temperatur. „R“ ((Grad Réaumur 0 °C = 0 Re, 100 °C = 80 Re) umgestellt werden.
14 211 CC Aufgaben
12 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
5.3 Ergebnisdarstellung mit ChemCad im PFD (Layers)
Erstellen Sie für ein PFD mit einer Pumpe, die 10 t/h Wasser oder 10 t/h Ethanol von
1 bar auf 6 bar oder 8 bar bespannt:
a) Streambox
b) Unitbox
c) Jobbox
d) Titelbox mit Aufgabennummer
Lernziel: Ergebnisdarstellung und Programmfunktion „Layers“
14 211 CC Aufgaben
13 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
6 Dichte von Ethanol‐ Wasser Ethanol-Wasser ist, wie in obiger Aufgabe dargestellt, ein Stoffsystem mit molekularen Wechselwirkungen.
Am Beispiel der Dichte der Mischung aus Ethanol-Wasser mit 35 gew% bei 20 °C
sollen Sie mit CHEMCAD sowohl die Dichte über „Library“ als auch die Dichte mit
„Rackett equation“ ermitteln und mit den Daten im Anhang beschrieben
K-value model:
Enthalpy model:
Liquid density:
Raoult's Law (Ideal Vapor Pressure)
Latent Heat
Library
Wie groß sind die Abweichungen zur Literatur?
Als Literaturdaten sind lt. Anhang bekannt:
1) dÁNS- LAX Taschenbuch für Chemiker, 3. Auflage., Bd.1
2) Bmon V2.1, AlkoholrechenprogrammVersion 2.1, 09.08.2001 Bundesmonopolverwaltung für Branntwein, Friedrichsring 35, 63069 Offenbach am Main,
Telefon: (069) 8302-224, Telefax: (069) 8302-241,
Lernziel: Bedeutung der Stoffdaten beim Engineering und Programmfunktion „Dichte“
und Grenzen der Prozess-Simulation.
14 211 CC Aufgaben
14 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
7 Funktion des Backward‐Controllers und CC‐Explorer‐Funktionen anwenden In dieser Aufgabe werden ein warmer Wasserstrom (90 °C) und ein kalter Strom
(20 °C) gemischt. Als Vorgabe wird der kalte Strom 1000 kg/h (Option 500 kg/h) voreingestellt. Für den warmen Strom wird 1 kg / h gewählt. Der Prozess arbeitet bei 1
bar a.
Der Kontroller nimmt einen Sollwert aus dem Fließbild auf und setzt diesen in einen
Stellwert um. Der Stellwert liegt in der Reihenfolge der Simulation immer vor dem
Sollwert. Der Controller muss in der Reihenfolge des PFD so gesetzt werden, dass,
1) Nach dem Stellwert und
2) Nach dem Sollwert
liegt.
Als Sollwert wird 50 °C und optional 38 °C gewählt. Bestimmen Sie die Warmwassermenge und die Iterationsschritte des Stellwertgebers.
Sollten Abweichungen zwischen Soll- und Istwert auftreten variieren Sie die Toleranz
im Controller-Untermenü „Optional Parameter“
Zur Verarbeitung der Optionen können Sie die Funktionen „Template“ benutzen. Die
Streambox, Unitop-Box und die Jobbox können über Layers gesteuert werden.
Hinweis: Job mit Controller läuft unter „Run“ mit „Recycle
Lernziel: Lösen einer nummerischen Rückwärtssimulation und Wirkung der Konvergenzparameter „Toleranz“ auf ein exaktes Ergebnis
14 211 CC Aufgaben
15 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
8 Phasengleichgewichte VLE (Ü1) Stellen Sie das VLE Ethanol/Wasser mit Chemcad dar. Nutzen Sie dazu drei unterschiedliche Ansätze zur Vorausberechnung des Gleichgewichtes.
a) Ideal, b) Unifac, c) NRTL
Diskutieren Sie die Ergebnisse, dass nur die Modelle b) und c) die Realität gut darstellten können.
9 Flashberechnung mit Recycle (Ü2) Eine Glyzerinlösung (1 t/h), die 40 Gew-% aufweist, soll auf 99,8 % konzentriert werden. Da Glyzerin sich ab 180 °C zersetzt, soll die maximale Destillationstemperatur
unter 170 °C bleiben (Sicherheitsabstand). Der Aufarbeitung soll in einer zweistufigen Eindampfanlage durchgeführt werden. Das entstehende Abwasser darf maximal
0,2 gew.-% Glyzerin enthalten.
Die Glyzerinlösung fällt bei 80 °C an; der Druck in der Feedleitung beträgt 4 bar.
Möglicher Lösungsweg: 1) Berechnen Sie eine Normaldruckdestillation, in der ein
Brüdenkondensat als „Reines Wasser“ gewonnen wird. 2) Berechnen Sie dann eine
zweite Stufe in der reines „Glyzerin“ als Sumpf erzeugt wird. 3) Verbinden Sie zum
Schluss beider Stufen und berechnen sie zusammen.
Wie kann eine Verdampferanlage mit 2 Stufen aussehen?
Wie sind die Temperaturen und der Druck einzustellen?
Wie groß ist der Recyclestrom und wieviel Glyzerin enthält er?
10 Energiebilanz erstellen und Latente Wärme für Brüden bestimmen Verdampfungs- und Aufheizwärme für Ü2 für beide Stufen ermitteln
a) Über Restbrüden 0,0001 Anteile
b) Über Vorgabe der Kondensattemperatur od. Unterkühlung
c) Über Report/Mass und Energiebilanz (Global)
Lernziel: Abschätzen von Verdampfungs- und Aufheizwärme und Programmfunktion
14 211 CC Aufgaben
16 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
11 Rektifikation eines binären Systems ohne Azeotrop – Trennung ei‐
nes Methanol‐Wasser – Gemisches (Ü3) Ein mit Wasser „verunreinigter“ Methanolstrom (10 t/h) soll aufgearbeitet werden.
Das Gemisch hat folgende Zusammensetzung:
Methanol: 60 gew%
Wasser: 40 gew %
Die Temperatur beträgt 120 °C bei einem Druck von 1,20 bar!
Es bestehen die Möglichkeiten:
 das Gemisch mit dieser Temperatur einer Destillationskolonne zuzuleiten (Fall 1)
oder
 das Gemisch mit dieser Temperatur erst bei 60 °C zu kondensieren und dann in
die Kolonne einzuleiten (Fall 2).

Kopfprodukt:
99,9 gew-%,
Sumpfprodukt:
99,99 gew-%.
Es steht ihnen eine Kolonne mit 30 theoretischen Trennstufen zur Verfügung.
Ermitteln Sie Rücklaufverhältnis und den optimalen Ort der Feedeinspeisung.
Lernziel: Modellrechnung zur Stufenzahl und Energiebedarf einer Destalltion mit Brüdeneinspeisung und Kondensateinspeisung Programmeinstieg und deren Optimierung durch Sensitivitäts-Analyse.
14 211 CC Aufgaben
17 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
12 Destillative Trennung eines heteroazeotropen Gemisches (Butanol‐
Wasser) (Ü4) Ein n-Butanol Strom (10 t/h) mit 50 °C, 2 bar mit einer Verunreinigung von 10 gew%
Wasser soll zu reinem Wasser (99,99%) und reinem n-Butanol (99,98%) aufgearbeitet werden.
Lösen Sie diese Aufgabe durch eine Rektifikation in zwei Kolonnen mit zwischengeschaltetem Phasentrennbehälter, zur Trennung der flüssigen Phasen, die bei der
Kondensation des azeotropen Gemisches anfallen.
Jede Kolonne soll zunächst mit 20 theoretischen Trennstufen gerechnet werden.
Ermitteln Sie die optimale Einspeisestelle und die Rücklaufverhältnisse.
Das Kondensat des Azeotropes sei um 5 °C unterkühlt.
14 211 CC Aufgaben
18 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
13 Trennung des azeotropen Gemisches Benzol/Cyclohexan mittels Extraktivrektifikation. (Ü5) Nach einer Benzolhydrierung sind in der Produktmischung noch 5 gew% Benzol
(Rest Cyclohexan) enthalten. Die Mischung fällt bei ca. 80 °C an. Der Druck beträgt 2
bar. Der Mengenstrom beträgt (10 t/h).
Das Benzol muss abgetrennt werden, so dass ein 99,9 gew% Cyclohexan die Anlage
als Produkt verlässt. Das abgetrennte Benzol muss ebenfalls diese Reinheit aufweisen, um wieder eingesetzt werden zu können.
Entwickeln Sie ein Verfahren zur Bewältigung dieser Aufgabe, wobei als Entrainer
Anilin eingesetzt wird.
Das Phasengleichgewicht kann nach NRTL berechnet werden.
Diskutieren Sie nach ihre Simulation Optionen (Druckstufen, Pumpen und Wärmeübertrager). Denken Sie dabei auch an eine Wärmerückgewinnung nach der Entraineraufarbeitung.
Anmerkungen zu dem Verfahren
Das geeignete Verfahren wird in der Literatur als Extraktiv-Rektifikation bezeichnet.
Ein anderes Anwendungsbeispiel ist die Ethanol-Wasser Trennung mittels Schleppmittel (Ethylenglykol od. Cyclohexan). Der Entrainer Ethylenglycol ist ein Hochsieder,
der mit den beiden zu trennenden Stoffen kein Azeotrop bildet. Der Begriff Extraktivrektifikation ist allerdings etwas irreführend. Es handelt sich eigentlich um eine Kombination aus Absorption und Rektifikation.
14 211 CC Aufgaben
19 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
14 Kühlung von „Thermalöl“ mit Kühlwasser im Rohrbündelwärme‐
tauscher (Ü6) Es soll ein Rohrbündel-Wärmetauscher mit Segmentumlenkblechen zur Kühlung einer pflanzlichen Ölmenge (Feed: Triglyzerid) 50 kg/s berechnet werden. Die Eintrittstemperatur des Öls beträgt Te = 100 °C. Zur Verfügung steht ein Kühlwasserstrom
mit mPkt = 35 kg/s mit einer Temperatur von Tkw = 15 °C. Der Kühlwasserstrom wird
vorzugsweise durch den Außenraum des Wärmetauschers geführt.
Um die vorhandenen Platzverhältnisse voll auszunutzen wurden die Bündellänge mit
L = 5 m und der Mantelinnendurchmesser mit D = 0,6 m festgelegt.
Für die weitere Auslegung werden 4 Rohrdurchmesser und somit 4 verschiedene
Gesamtrohrzahlen nR in Erwägung gezogen. Als Rohranordnung wird ein gleichseitiges Dreieck gewählt. Wanddicke 1 mm
da [mm]
nR
14
729
20
378
25
251
30
168
Stoffdaten (zum Vergleich)
Dichte [kg/m³]
Wärmeleitung [W/(mK)]
Dyn. Viskosität [m Pa s)
Spez. Wärmekapazität
[kJ/(kg K)]
Pr-Zahl [-]
Öl
830
0,12
4
2,27
Wasser
990
0,64
0,8
4,18
79,4
3,5
1: Ermitteln Sie die in Frage kommenden Rohrdurchmesser, wenn die max. Druckverlust:
a) Delta p Öl = 1700 N/m²
b) Delta p W = 1000 N/m²
Teilaufgabe 1:
2: Bei welchem Rohrdurchmesser und bei welcher Stromungsführung (Gleich- oder
Gegenstrom) wird das Öl am stärksten abgekühlt, wenn die Druckverlustschranken
eingehalten werden? Wie hoch sind die Austrittstemperaturen der beiden Stoffströme
und der Wärmestrom für die Auslegung?
3: Welche Öltemperatur kann erreicht werden wenn die Kühlwassermenge verdoppelt werden könnte?
14 211 CC Aufgaben
20 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
15 Sensitivitätsstudie (z.b. Sattdampf aus Dampfdrossel) 15.1 Teil 1
Nassdampf soll mit gegebenen Parametern (10 bar ü, x = 0,975, T = 179,88) durch
Drosselung getrocknet werden. Zu bestimmen ist der Flüssigkeitsanteil bzw. die
Überhitzungstemperatur nach der Drosselung auf 2 bar ü.
Die Drosselung erfolgt adiabat.
"
"
"
2776,2 /
2706,3 /
2,15 / 15.2 Teil 2
Bestimmen Sie den Ausgangsdruck nach der Drossel über die Sensitivitätsanalyse
für Nassdampf, damit h“ mit x = 1 genau erreicht wird.
Input-Parametern (10 bar ü, x = 0,975, T = 179,88)
14 211 CC Aufgaben
21 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
16 Trouble Shooting Erfahrungen und Tipps im Umgang mit Prozesssimulation
Nr.
1
Kriterium
Flash-Recycling
2
Destillation-Total Kondensation
3
Qualität Flash-Brüden
4
Destillation-Aufbau
(Rault)
5
Destillation Aufbau
(NRTL)
6
Destillation Aufbau
(Extraktiv)
7
Destillation Aufbau
(Heterogen +Profil)
14 211 CC Aufgaben
Tipps
Tech. Umsetzbarkeit beachten, d.h. der Brüden
sollte kondensiert werden und die Wärmemenge
sollte abgeführt werden.
Total Kondensation ist ein üblicher Weg, Vorsicht
bei Inertgas (CO2, N2..) im Feed und Wahl des
Parametern „Totalkondensatio“. Die bestimmte
Kondensationstemperatur liegt in der Regel zu
tief, das der Algorithmus auch das Inertgas kondensiert!
(Klassischer Fehler)
Häufig wird ein Konzentration an Schwersieder im
Brüdenkondensat begrenzt. Als mögliches Vorgehen kann aus dem x/y Diagramm die max. Konzentration (x) bestimmt werden, bei der gerade
noch (y) < (y) grenz erfüllt wäre. Hier rüber kann
dann V/L von Flash bestimmt werden.
Für einen ersten Testrun bei Idealen System:
Short Cut wählen und R/Rmin bestimmen, Feed
und Stufenzahl
Head-Zusammensetzung ermitteln: Einstellen von
R = 1000 (unendlicher Rücklauf) und Zulauf über
„mass flow“ vorgeben. Hier sollte einen Konvergenz erzielt werden und die Zusammensetzung
am Kopf der Kolonne der Aufgabenstelllung bzw.
Modellvorstellung entsprechen.
Im XY-Diagramm stufenweise die dritte Komponente parametrieren. Die Konzentration in Mol%
über merken und auf der Kolonnenprofil übertragen. Achtung bei Extraktivdestillation Destillationsrichtung im xy-Diagramm beachten
Y-Bauch oben = Leichtsieder oben!
Y-Bauch unten = Leichtsieder unten!
Richtige Komponente als Komponente wählen
Kondensator der Kolonnen mit Phasentrennung
im Kondensat entsprechend parametrieren und
einen zusätzlich Stoffstrom vorsehen (Fehlermeldung beachten). Ziel sollte sein, dass die schwere
22 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Phase des Heterogenen Azeotropes am Kopf abgezogen wird. Der Destillatabzug ist systematisch
zu verringern.
Wichtig: Die Zahl Null ist für Algorithmen in leicht
zu verarbeiten. Für Null besser einen kleinen endlich Wert vorgeben (0.001 – 2
8
Destillation Aufbau
(Extraktiv + Profil)
9
Einsatz Kontroller + Endwert passt nicht exakt
Zulaufstellenhöhe und notwendige Stufenzahl
kann qualitativ durch einen Blick in Destillation
Profil gewonnen werden. Diese Profile sollten für
einen Detail-Engineering Phase als Grafik und als
Zahlenwert exportiert werden:
- Dichte,
-Temperatur,
- Massenstrom,
- Volumenstrom,
- Grenzflächenspannung
Der Kontroller arbeitet mit einen Algorithmus, der
einen Startwert schrittweise verdoppelt. Die
Schritte können geloggt werden. (Haken History)
Falls der Endwert offensichtlich nicht getroffen
wird kann im Menü des Controllers die Toleranz
von 0.001 auf 0.00001 verschärft werden.
17 Anhang Anlagen‐Engineering 14 211 CC Aufgaben
23 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
17.1 Dichte von Ethanol-Wasser
dÁNS- LAX Taschenbuch für Chemiker, 3. Auflage., Bd.1
14 211 CC Aufgaben
24 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Internet: http://www.bfb-bund.de,
14 211 CC Aufgaben
25 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
17.2 DIN und ISO -Rohre
14 211 CC Aufgaben
26 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
18 Lösungsteil Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Bezeichnung
CHEMCAD-Palette
CC – Programmleiste
PFD Flash darstellen
Phasengleichgewichte VLE
Thermodynamik Transport Dichte
PFD unter Anwendung von Template
und Layer
Backward-Controllers und CC-Explorer-Funktionen
Flashberechnung mit Recycle (Ü2)
Energiebilanz erstellen und Latente
Wärme abschätzen
Rektifikation eines binären Systems
ohne Azeotrop (Ü3)
Destillative Trennung eines heteroazeotropen Gemisches (Ü4)
Trennung des azeotropen Gemisches
Benzol/Cyclohexan mitttels Extraktivrektifikation. (Ü5)
Kühlung von „Thermalöl“ mit Kühlwasser im Rohrbündelwärmetauscher (Ü6)
14
Sensitivitätsstudie (z.b. Sattdampf aus
Dampfdrossel
15-19 Löslichkeit von Salzen
Absorption von Gasen
Reaktion Gibbs
Reaktion RK
Optimierungsmöglichkeiten
Datei
n.n.
n.n
20141006 Job1.cc6
20141008 Job5.cc6
20141007 Job 4.cc6
20141008 Job7.cc6
Ü
1
-
20141007 Job2.cc6
-
20141008 Job6.cc6
20141008 Job6.cc6
2
-
20141008 Job8.cc6
3
20141008 job9_2.cc6
4
20141008 job10.cc6
5
13
14 211 CC Aufgaben
27 / 50
6
20141008 job11.cc6
-
Beispiele auf Anfrage
-
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
18.1 Phasengleichgewichte VLE (Ü1)
VLE a) Id Gas deal, b) Unifac, c) NRTL
Modell
XY-File
NRTL
VL_T
Id_Gas
Unifac
Datei: 20141008 job5.cc6
Nur die Modelle b) über Messwerte und c) über spezielle Thermodynamik können die
Realität gut darstellten.
14 211 CC Aufgaben
28 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
18.2 Funktion des Backward-Controllers und CC-Explorer-Funktionen anwenden
Einstellungen Kontroller
14 211 CC Aufgaben
29 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Toleranz (kleiner)
14 211 CC Aufgaben
30 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
History
14 211 CC Aufgaben
31 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Flashberechnung mit Recycle (Ü2)
Hinweis: VLE nach NRTL (Matrix über Unifac füllen)
14 211 CC Aufgaben
32 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
14 211 CC Aufgaben
33 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
18.3 Energiebilanz erstellen und Latente Wärme für Brüden bestimmen
Verdampfungs- und Überhitzungswärme
Stufe 1 110 °C
2283 kJ/kg x 600 kg/h= 1369,8 MJ/h
600 kg/h x 1,8 kJ/kg K x 24K = 26 MJ/h
Summe: 1767 MJ/h
Zu C)
14 211 CC Aufgaben
Stufe 2 170 °C
1648 kJ/kg x 200 kg/h= 329,6 MJ/h
200 kg/h x 1,7 kJ/kg K x 127K = 43 MJ/h
34 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Ca. 92 % der „Total Heating“ wird für die Verdampfung inkl. Überhitzung benötigt wobei die erste Stufe 1500 MJ/h und die zweite Stufe ca. 400 MJ/h benötigt.
Wo könnte eine Maßnahme zur Energieeinsparung ansetzten und welche Einsparung wäre möglich? Vorwärmer pro Stufe und 1. Stufe 2 stufig ausführen!
14 211 CC Aufgaben
35 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
18.4 Rektifikation eines binären Systems ohne Azeotrop – Trennung eines
Methanol-Wasser – Gemisches (Ü3)
18.4.1 Short Cut Methode Fall 1: Fenske Underwood und Gilliland-Methode
Reflux:
min: 0.7
Reflux:
1.4
Stufenzahl: 25
Feedstage: 14-15
Fall 2: Fenske Underwood und Gilliland-Methode gilt nur für ein im Siedezustand
flüssigen Zulauf.
Datei: 20141008 job8_0.cc6
Lernziel: Modellrechnung zur Stufenzahl und Energiebedarf einer Destalltion mit Brüdeneinspeisung und Kondensateinspeisung Programmeinstieg in SHORTCUT und
seine Grenzen.
14 211 CC Aufgaben
36 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
18.4.2 SCDS‐Methode Zu Beginn sind in der Regel Stufenzahl und Zulaufboden unbekannt und müssen an
dieser Stelle abgeschätzt werden. Im späteren Verlauf können diese über eine Sensitivity Study optimiert werden.
In diesem Beispiel wird eine Stufenzahl von 30 vorgegeben und der Zulaufboden soll
sich auf der Hälfte, N=14, befinden. In CHEMCAD zählen der Kondensator und der
Verdampfer jeweils als eigene Stufe. Es wird vom Kopf bis zum Sumpf herunter gezählt.
Ermitteln Sie Rücklaufverhältnis und den optimalen Ort der Feedeinspeisung. Der
Rücklauf soll eine Unterkühlung von 5 °C aufweisen.
Zur Ermittlung der optimalen Stufenzahl wird die Verdampferleistung über die Stufenzahl berechnet. Die Stufenzahl wird von 20 bis 40 variiert und dabei die Verdampferleistung für jede Stufe berechnet.
14 211 CC Aufgaben
37 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Befehl: Run/ Sensitivity Study/…./Plot Result
Fall 1:
14 211 CC Aufgaben
38 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Mit höherer Stufenzahl sinkt die der Energiebedarf stetig, ab 32-34 Stufen treten
nummerische Probleme auf. Die nummerische Konvergenz der SCDS-Unit Op wird
mit steigender Stufenzahl für Fall 1 kritisch. (oben Fall 1, unten Fall 2)
In den Kolonneneigenschaften wird die Stufenzahl auf 32, bei guter Konvergenz auf
34 hochgesetzt und die Simulation erneut gestartet.
Als nächstes werden der optimale Zulaufboden und das Rücklaufverhältnis bestimmt.
Dafür wird eine zweite Sensitivity Study erstellt. Es wird der Zulaufboden über die Kolonnenhöhe variiert und dabei der Einfluss auf das Rücklaufverhältnis untersucht. Als
Variable wird der Zulaufboden gewählt, der von Stufe 10-32 variiert wird. Als abhängige Variable wird das Rückflussverhältnis eingestellt, das für jede Stufe berechnet
wird
14 211 CC Aufgaben
39 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Fall 1: Feed Stufe und Temperaturprofil
Nach der Analyse sollte der Zulauf auf Boden 27 liegen!
14 211 CC Aufgaben
40 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Fall 2: 34 Stufen und Temperaturprofil in der Kolonne
Nach der Analyse sollte der Zulauf auf Boden 17-21 liegen!
14 211 CC Aufgaben
41 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
18.4.3 Zusammenfassung der Sensitivitätsanalyse Der ursprüngliche Lösungsansatz:
Feedstelle
Stufenzahl
Reboiler duty
spez. Energiebedarf
14
30
ca. 4258 MJ/h
0,3154 kg Dampf /kg Methanol (h“ HD= 2250 kJ/kg)
Nach zweifachen Sensitivitätsanalyse lautet die Modelllösung:
Feedstelle
18
Stufenzahl
34
Reboiler duty
ca. 3100 MJ/h
spez. Energiebedarf
0,2295 kg Dampf/kg Methanol (h“ HD= 2250 kJ/kg)
18.5 Destillative Trennung eines heteroazeotropen Gemisches (Butanol-Wasser) (Ü4)
Hinweis zum Lösungsweg:
Die Kolonne 1 wird mit Type 2 Kondensator ausgerüstet. Am Kopf der Kolonne muss
ein Stoffstrom für schwere Phase aufgebaut werden.
Wasser/n-Butanol Azeotrop bei ca. 91 °C und 41 gew.%,
Schwere Phase 82 % Wasser
Rücklauf der ersten Kolonne  unendlich, nur schwere Phase läuft zu K2
14 211 CC Aufgaben
42 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Feed Stage K1 oben bis ca. Mitte (z.B. Stufe 1 und 8)
Feed Stage K2 Stufe 1 (Kondensator)
Stage K2 (es würden auch 10 Stufen ausreichen); Feed Stufe 1 + 5
14 211 CC Aufgaben
43 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Datei: 20141008 job9_2.cc6
14 211 CC Aufgaben
44 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
18.6 Trennung des azeotropen Gemisches Benzol/Cyclohexan mitttels Extrak-
tivrektifikation. (Ü5)
Hilfestellung
Xy-Diagramm Mit 40 mol% Anilin
14 211 CC Aufgaben
45 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Datei: 20141008 job10_0.cc6
18.7 Sensitivitätsstudie (z.b. Sattdampf aus Dampfdrossel)
Der Trockenheitsgrad von Dampf ist ein Maß für den enthaltenen Flüssigkeitsanteil.
Wenn Dampf 10 Gewichtsprozent Wasser enthält ist er zu 90% trocken, und man
spricht von einem Trockenheitsgrad von 0,9.
Diese Größe ist von großer Bedeutung, denn der Trockenheitsgrad hat einen direkten Einfluss auf den nutzbaren Wärmeinhalt des Dampfes (normalerweise nur die latente Wärme), der die übertragbare Wärmeleistung bestimmt.
100% trockener Sattdampf enthält z.B. 100% der latenten Wärme beim entsprechenden Dampfdruck. Wasser bei Siedetemperatur enthält hingegen keine latente, sondern nur fühlbare Wärme. Der Trockenheitsgrad ist 0%.
Trockenheitsgrad = 100 % - [% mitgerissenes Wasser] (Gewichtsprozent)
14 211 CC Aufgaben
46 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
18.8 Teil 1
Nassdampf soll mit gegebenen Parametern (10 bar ü, x = 0,975, T = 179,88) durch
Drosselung getrocknet werden. Zu bestimmen ist der Flüssigkeitsanteil bzw. die
Überhitzungstemperatur nach der Drosselung auf 2 bar ü. Die Drosselung erfolgt adiabat.
Ergebnis: (1 bar ü, x = 1, T = 129 °C)
Hinweis für die Nachrechnung zu Fuß
Enthalpie für 1 kg Naßdampf:
"
1
18.9 Teil 2
Bestimmen Sie den Ausgangsdruck nach der Drossel über die Sensitivitätsanalyse
für Nassdampf, damit h“ mit x = 1 genau erreicht wird.
Input-Parametern (10 bar ü, x = 0,975, T = 179,88)
14 211 CC Aufgaben
47 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
14 211 CC Aufgaben
48 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
Ergebnis: 3.1 bar
Datei: 20141008 job11_0.cc6
14 211 CC Aufgaben
49 / 50
2014-10-14
Fh-Münster / Fachbereich Chemieingenieurwesen
Professor Dr.-Ing. A.Wäsche
14 211 CC Aufgaben
50 / 50
2014-10-14
Document
Kategorie
Technik
Seitenansichten
128
Dateigröße
1 058 KB
Tags
1/--Seiten
melden