Entwicklung eines Simulationstools zur Prozessauslegung und -führung biotechnologischer Aufgabenstellungen im Festbettreaktor Abschlussbericht

Transkript

1 Max-Buhne-Foshungsstftung ennffe: 88 Entwlung enes Smulatonstools u Poessauslegung und -fühung botehnologshe Aufgabenstellungen m Festbetteato Abshlussbeht Stpendat: Dpl.-Ing. Matthas epold Tehnshe Unvestät Hambug-Habug Insttut fü Poess- und Anlagentehn Abstat: Enymatalytshe Synthesen beten hnshtlh vele Aspete ene gute Altenatve u etableten hemshen Synthesewegen. Als Untestütung be de Poesssynthese wude das Smulatonsweeug STEP entwelt und gegen expementelle Daten valdet. Mt STEP st ene enfahe und benutefeundlhe Smulaton m Beeh de enymatsh atalyseten Festbettsynthese möglh. Das Pogammonept elaubt somt ene effente smulatonsgestütte Poessauslegung.

2 . Foshungsel In den letten Jahen hat de Botehnologe ene Entwlung von esten abovesuhen bs hn u ommeell genutten Industeanlagen duhlebt. In velen dese Poesse weden mmoblsete Enyme als atalysato vewendet. Typshe Anwendungen fnden sh.b. n de osmet-, Phamaode ebensmttelbanhe be de Hestellung genge Podutonsmengen mt hohem Wetshöpfungspotental. Im Gegensat u hemshen atalysatoen elauben Enyme de Synthese beets be modeaten Poessbedngungen. Duh glehetg hohe Seletvtäten ann udem de Bldung von Nebenpoduten sta engeshänt weden und es ann de Anfall von Abfallmengen eduet weden. Daübe hnaus weden enge Synthesen est duh de Vewendung von Enymen als atalysato emöglht. Vele enymatshe Poesse weden uet dsontnuelh beteben. Üblh snd dabe appaatve Ausfühungen als Rühesseleatoen ode eslauffestbetteatoen []. ettgenannte gewnnen unehmend aufgund hohe ealsebae Standeten des atalysatos be ene glehetg seh enfahen Handhabbaet an Bedeutung. Wetee wtshaftlhe Votele egeben sh, da auf ene gesondete Abtennung des atalysatos vom Reatonspodut vehtet wd. Des Weteen önnen notwendge Tenn- und / ode Doseshtte nah jedem Duhlauf des Reatos äumlh getennt vom atalysato duhgefüht weden. Des emöglht um Bespel be de Abtennung von Reatonsnebenpoduten u geelten Beenflussung des Reatonsglehgewhtes ene ehöhte Flexbltät. De Entwlung neue Podutonspoesse n de Enymatalyse st haateset duh enen hohen expementellen Aufwand n allen Beehen de Vefahensentwlung. Nu wenge Autoen n de feen teatu haben sh bs jett umfassend mt Engneeng-Aspeten von eslauffestbetteatoen sowe deen Potentalen beshäftgt. Jaobmee et al. [] shlugen enen eslauffestbetteato fü de Veesteung von Fettsäuen und Fettaloholen vo. Watanabe et al. [] besheben de Synthese von Daylglyen aus Fettsäue und Glyen und Beendsen [] nutte enen eslauffestbetteato fü de Hestellung hale Glyolethe. Tot dese Abeten st de tehnshe Wssensbass beüglh deses Poesses uet noh lüenhaft. Insbesondee besteht noh ene effente Möglhet de (dynamshen) Smulaton deatge Poesse. Bedes füht u enem hohen Zet- und ostenaufwand be de Entwlung neue Poesse. Zudem wd das Feld de enymatsh atalyseten Synthese wetgehend von lenen und mttelständshen Untenehmen abgedet. Fü dese stellen deat aufwendge Entwlungspoesse ene besondes hohe Belastung da, so dass Entwlungen nu mt modeatem Tempo voangeteben weden önnen. Zel des Pojetes st deshalb de Entwlung enes Smulatonsweeugs, welhes ndustelle Anwende auf Gundlage ene belastbaen, ganhetlhen Wssensbass be de Poessauslegung und -fühung von enymatsh atalyseten Festbetteatonssystemen untestütt. Fü das Pojet wd exemplash de Veesteungseaton wshen Deanol und Ölsäue als paxselevantes Refeensystem expementell und theoetsh untesuht.. STEP En Smulatonsweeug fü Reatonssysteme auf Bass enymatshe atalyse Um bestehende üen be de Entwlung neue enymatalytshe Synthesepoesse u shleßen wude das Smulatonsweeug STEP (Smulaton Tool fo Enymat Poesses) u dynamshen Smulaton von Reatonssystemen auf Bass enymatshe atalyse entwelt [5]. Hebe wuden

3 sowohl Aspete de Hydodynam und net sowe des effenten Betebes ntensv analyset und n de späteen Modelleung beüshtgt. Das Weeug st pnpell auf de Smulaton von belebgen enymatsh atalyseten Reatonssystemen ausgehtet. En speelle Fous wude jedoh auf dsontnuelhe Systeme bw. nsbesondee auf eslauffestbetteatoen gelegt. Gundlegend abetet STEP dabe mt Modellbblotheen n Anlehnung an enen Fleßbldsmulato, um belebge Reatonsanlagen abblden u önnen. Fü de Beehnung wd en sequentell-modulae Ansat vewendet. Dese betet neben ene hohen Flexbltät n Beug auf notwendge mathematshe ösungsalgothmen auh den Votel ene seh enfahen Ewetebaet des Weeuges. De enelnen Modelle weden hefü n sepaaten Modulen estellt und n ene Modellbblothe usammengefasst. De ommunaton de enelnen Modelle st übe ene gemensame Engangs- / Ausgangsshnttstelle vewlht. Als gundlegende Modelle snd n STEP en Festbetteatomodell, en Rühesselmodell und ene Flashamme sowe en Pumpenmodell ealset. Du veändende Enbauten we.b. Ventle, Rohsteen und -ümme u.ä. weden n enem gemensamen Modell usammengefasst. De n den Modellen benötgten themodynamshen Egenshaften weden mt dem extenen Pogamm PoSm Smuls Themodynams beehnet. Deses st vollständg n de Smulatonsumgebung von STEP engebettet. Smuls Themodynams selbst beuht auf de DIPPR-Datenban und stellt fü de themodynamshen Beehnungen gängge Beehnungsansäte u Vefügung. De netshen und hydodynamshen Modelle weden übe det n STEP ealsete und den enelnen Modellen u Vefügung gestellte mathematshe Algothmen gelöst. Entspehend de Aushtung von STEP gesheht de Beehnung dabe gundsätlh dynamsh etlh und ötlh aufgelöst. Fü ene effente Enbndung n vohandene Stutuen wude STEP als Plug-n fü Mosoft Exel umgesett. Heduh wd ene enfahe Enabetung sowe effente Nutung n vohandenen Abetsabläufen gaantet. De enelnen Funtonen bw. Bblotheen weden n ene ntutv nutbaen gafshen Benuteobeflähe gebündelt, de neben händshe Engabe auh den Zugff auf vohandene Daten emöglht. Daübe hnaus besteht übe entspehende n Exel vohandene Shnttstellen de Möglhet de effenten Venüpfung von STEP mt andeen Softwaepaeten bespelswese u Poessoptmeung. Este Efahungen n dese Rhtung bestehen duh de Anbndung an de von epold et al. entwelte Optmeungsumgebung u mehteellen Optmeung mttels evolutonäe Algothmen [6, 7].. Modelleung Fü alle Enelomponenten de Modellbblothe wuden nstatonäe, mathematshe Modelle estellt. Exemplash soll he das Modell des Festbetteatos genaue vogestellt weden. Das Festbetteatomodell beuht auf de Annahme enes endmensonalen axalen Dspesonsmodells. Unte dese Annahme egbt sh de omponentenblan fü ene omponente n enem fnten Element we folgt: t w Dax () Fü den Reatoen- und -auslass weden de Danwets-Randbedngungen angenommen [8]:

4 ax w D () () De Ändeung de onentaton mt de Zet t egbt sh somt aus enem onvetonstem w, de axalen Dspeson ax D und dem Senentem. Als Senentem geht dabe de Reaton auf de atalysatoobeflähe en. Hefü stehen veshedene netansäte u Vefügung. Mt enem speellen Fous auf ene enfahe, ndustelle Anwendbaet snd hefü vo allem de Potenansat R N m () sowe de Ansat ene Mhaels-Menten net geegnet. m max (5) Dese Ansäte önnen neben de he geegten Fom fü ene evesble Reaton auh fü evesble und / ode Reatonen mt Inhbton ewetet weden. Fü ene Beshebung alle Elementashtte de Reaton steht udem de Ansat ene Mehsubstatnet, fü de betahtete Refeeneaton de Png-Pong B-B-Ansat u Vefügung. )[P][Q] ( )[B][Q] ( )[A][P] ( )[A][B] ( )[Q] ( )[P] ( )[B] ( )[A] ( [P][Q] ] [E [A][B] ] [E (6) Zusätlh u de stofflhen Blaneung wd ene Beehnung des Duvelustes übe das Festbett duhgefüht. Hefü wd en Modellansat nah Moleus [9] u Vefügung gestellt, de auf de Umstömung von Enelpateln baset. p d w Eu P 5,5 Re, Re,5 Re Eu (7),95 ; w d p Re ; =,777, =,5, =,89, = und 5 =

5 . Vesuhsanlage FIR Fü de weteen Ausfühungen wd m Folgenden 6 DIR 5 de fü de duhgefühten Vesuhe vewendete V5 Vesuhsanlage, en eslauffestbetteato W PIC (Abbldung ) u umssen. Dese besteht aus M 5 enem Mshbehälte, de glehetg als C P V7 PDIR Flashamme engesett wd, ene Umlaufpumpe B W W (naue Päpaatve HPC-Pumpe 8) mt V V P V R vogeshaltete Vodupumpe (Ismate MCP-Z V B V8 V6 V9 Poess) sowe enem Edelstahl-Festbetteato W mt enem Volumen von a. ml. Zu Enstellung V P geegnete Poessbedngungen ann de gesamte Anlage übe Hebäde tempeet weden und n Abbldung : Fleßbld de Vesuhsanlage de Flashamme übe enen Membanvauumpumpenstand (Vauuband PC VARIO) de Du engestellt weden. Zudem önnen duh ene umfangehe Mess-, Steue- und Regeltehn nah ndustellem Standad Du, Tempeatu, Dhte und Massenstom aufgenommen weden. Fü de Bestmmung des Reatonsfotshttes snd entspehende Pobenahmen vo und hnte dem Reato vogesehen. De Poben weden gashomatogaphsh (Pen-Elme Claus 5) analyset. V Als Refeeneaton dent de Veesteungseaton wshen -Deanol und Ölsäue bedes tehnsh en u Deyloleat und Wasse. Das Wasse st hebe en Nebenpodut und wd n de Flashamme ontnuelh aus dem Poess entfent. De Reaton wude als Refeenvesuh mt enem Volagevolumen von a.,5 l und äqumolae Volage duhgefüht. 5. Anwendungsstude Zu Valdeung des Smulatonsweeugs wuden veshedene expementelle Untesuhungen mt Smulatonsstuden, de mt STEP duhgefüht wuden, veglhen. Gundlage wa hebe de n Abbldung dagestellte eslauffestbetteato. Das Egebns enes dese Vesuhe st n Abbldung n Fom de Messpunte dagestellt. De duhgefühte Refeenvesuh wude m Smulatonsweeug anhand uvo emttelte Daten u net und Hydodynam nahgeehnet. Als net wude hebe von enem Ansat pseudoeste Odnung ausgegangen. De Egebnsse de Smulaton snd fü den Festbetteato n Abbldung.a sowe fü den Rühessel n Abbldung.b als duhgeogene uven dagestellt. Anhand de ehaltenen Veläufe st endeutg ene seh gute Wedegabe de gemessenen Vesuhsegebnsse duh das Smulatonsweeug u sehen. Zusammenfassend st somt duh de eabetete Modelltefe de Abbldung enymatalytshe Reatonen m eslauffestbetteato möglh und somt ene geegnete Methode fü de Auslegung deatge Poesse geshaffen woden.

6 Massenantel Säueomponente [g/g] Massenantel [g/g],7,6,8 Deyloleat,5, Reatoulauf,6,, Ölsäue, Reatoablauf,, Zet [h] Wasse Deanol Zet [h] a) b) Abbldung : Smulete ( ) und gemessene ( ) Velauf de Massenantele a) am Reatoen- und -austtt und b) m Rühessel 6. Zusammenfassung Enymatshe Poesse fnden set engen Jahen unehmend Vewendung n ndustellen Anwendungen. Se beten dabe hnshtlh vele Aspete ene gute Altenatve u etableten hemshen Synthesewegen. De Entwlung neue Poesse veläuft alledngs noh eht langsam, da nah we vo ene ausehende Wssensbass und auh ene geegneten Smulatonspogamme exsteen. Aus desem Gund wude das Smulatonsweeug STEP entwelt. Mt desem st ene enfahe und benutefeundlhe Smulaton veshedene enymatsh atalysete Reatonssysteme möglh. De hefü n ene Modellbblothe u Vefügung gestellten Appaatemodelle beüshtgen das ötlh we etlh nstatonäe Vehalten beüglh Stofftanspot und -umwandlung (net) sowe das hydodynamshe Vehalten alle Appaate und Mashnen. Fü de Reatonsnet stehen veshedene ndustell nteessante Ansäte u Vefügung. Das Pogammonept elaubt somt, we n esten Anwendungsstuden geegt weden onnte, ene effente smulatonsgestütte Poessauslegung m Beeh de enymatsh atalyseten Festbettsynthese. Heduh wd ene et- und ostenspaende Entwlung neue Poesse und heduh ene beshleungte Enfühung neue Synthesewege emöglht. 7. Dansagung Unse Dan fü de Födeung des Foshungsvohabens (N. 996) glt dem Bundesmnsteum fü Wtshaft und Tehnologe (BMW) veteten duh de Abetsgemenshaft ndustelle Foshungsveengungen Otto von Guee e.v. (AF).

7 Symbolveehns atenshe Buhstaben A onentaton von Edut A B onentaton von Edut B onentaton d p Sauteduhmesse D ax axale Dspesonsoeffent E Enymonentaton Eu Euleahl F Enymonentaton Reatonsgeshwndgetsonstante Glehgewhtsonstante M Mhaels-onstante l änge änge de atalysatopaung m Masse n Stoffmenge N Anahl t Zet T Tempeatu p Du P onentaton von Podut P Q onentaton von Podut Q Reatonsgeshwndget Re Reynoldsahl w Massenantel Geshwndget w x Molenantel n de Flüssgphase y Molenantel n de Gasphase Otsoodnate Gehshe Buhstaben ε Poostät η Dynamshe Vsostät ν nematshe Vsostät ξ Wdestandbewet ρ Massendhte ψ Senentem Index Engangswet EQ Glehgewht omponente n Enlass Flüssgphase max Maxmum out Auslass PC Podut C PD Podut D R Edut RA Edut A RB Edut B V Gasphase teatuveehns [] A. ese, Industal botansfomatons,., ompletely ev. and extended ed. ed. Wley-VCH: Wenhem, 6. [] O. Jaobmee, et al., "Dynam smulaton of steam dstllaton n a fatty ad estefaton," pd / Fett, vol., pp. 7-78, 999. [] T. Watanabe, et al., "Daylglyeol poduton n a paed bed boeato," Poess Bohemsty, vol., pp. 67-6, 5. [] W. R. Beendsen, "Model Based Development of Contnuous Poesses fo Poduton of Chal Glyol Ethes by Boatalyss," Dssetaton am Insttut fü Bovefahenstehn, Unvestät Stuttgat, Stuttgat, 8. [5] M. epold and G. Feg, "STEP - A smulaton tool fo enymat eaton poesses," n 8th Wold Congess of Chemal Engneeng, Monteal, Canada, 9. [6] M. epold, et al., "An evolutonay appoah fo mult-objetve dynam optmaton appled to mddle vessel bath dstllaton," Computes & Chemal Engneeng, vol., pp , 9. [7] M. epold, et al., "Development of a sophstated famewo fo omplex sngle-and multobjetve optmaton tass," n Compute Aded Chemal Engneeng. vol. Volume 5, B. Betand and J. Xave, Eds.: Elseve, 8, pp [8] P. V. Danwets, "Contnuous flow systems : Dstbuton of esdene tmes," Chemal Engneeng Sene, vol., pp. -, 95. [9] O. Moleus, - -. Beln u.a.: Spnge, 98.