Institut für Verfahrenstechnik & Umwelttechnik Professur für Verfahrensautomatisierung Simulation & Optimierung : Übungsaufgaben für das Fernstudium

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1 Institut für Verfahrenstechnik & Umwelttechnik Professur für Verfahrensautomatisierung Simulation & Optimierung : Übungsaufgaben für das Fernstudium 1. Übung Für das Aufheizen eines Stoffstroms (Medium: Wasser ; Massestrom: kg/h; Temperatur : 20 C; Druck: 1 bar) stehen zwei Teilströme zur Verfügung: Ein Abwasserstrom von kg/h mit einer Temperatur von 60 C und einem Druck von 1 bar. Ein Wasser-Dampfstrom von 2000 kg/h mit einer Temperatur von 105 C und einem Druck von 1,2 bar. Der Stoffstrom soll auf 90 C aufgeheizt werden. Ein Wärmeübertrager mit einer Fläche von 50 m² steht zur Verfügung. Die notwendige Fläche für den zweiten Übertrager ist so zu ermitteln, dass die Zieltemperatur erreicht wird. Ein Rohrbündel-Wärmeübertrager ist nachzurechnen. Folgende Daten des Wärmeübertragers sind bekannt: Länge 6 m Anzahl der Rohre 61 Rohranordnung dreieckig Rohrabstand 35 mm Rohr-Innendurchmesser 21 mm Rohraußendurchmesser 25 mm Mantel-Innendurchmesser 309 mm Abstand Mantel-Rohrbündel 20 mm Anzahl der Umlenkbleche 20 Bedeckte Kreisfläche 25 % Durchmesser der Stutzen 100 mm Außerdem sind folgende Daten über die eintretenden Ströme bekannt: Warmer Strom: Wasserdampf Mengenstrom: 1500 kg/h Temperatur 102 C Druck 1 bar Kalter Strom: Wässrige Salzlösung folgender Zusammensetzung in Massenanteilen Natriumchlorid 0,1 Kaliumchlorid 0,1 Wasser 0,8 Mengenstrom kg/h Temperatur 20 C Druck 1 bar Die Temperaturen der austretenden Ströme, sowie die detaillierten Daten des Wärmeübertragers (mittlere k-zahl, Druckverluste usw.) sind zu bestimmen.

2 Simulation & Optimierung: Übungsaufgaben 2 2. Übung Ein Ethanol / Wasser-Gemisch ist durch Destillation zu trennen. Die molare Zusammensetzung des Ausgangsgemisches ist wie folgt gegeben: x Wasser : 0.4 x : 0.6 Ethanol Der Einlaufstrom Druck von 1 bar. hat eine Temperatur von 20 C und steht unter einem 1.1 Bei der Wahl des Verfahrens für die Eigenschaftsberechnung sind unterschiedliche Möglichkeiten zu diskutieren und mit dem Analyse-Werkzeug zu untersuchen. 1.2 Bestimmen Sie die Kopf- und Sumpfzusammensetzungen für vorgegebene Kolonnenparameter. Folgende Entwurfsdaten sind vorgegeben: S Rücklaufverhältnis: 4 S Theoretische Bodenzahl: 10 S Verhältnis von Destillat zu Einlauf: 0.4. S Index des Einlaufbodens: 7 Nutzen Sie für die Lösung der Aufgabe den Modellblock DISTL. 1.3 Bewerten Sie das Ergebnis und ziehen Sie Schlussfolgerungen bezüglich der Entwurfsdaten. 1.4 Geben Sie bestimmte Ziel-Reinheiten vor. Bestimmen Sie die theoretische Bodenzahl bei vorgegebenem Rücklaufverhältnis. Welche Aspekte sind hierbei zu berücksichtigen? Nutzen Sie für die Lösung der Aufgabe den Modellblock DSTWU. Unter Nutzung der Ergebnisse der ist das Modell RADFRAC für die Nachrechnung der Kolonne bei vorgegebener Bodenzahl und vorgegebenen Ziel-Reinheiten heranzuziehen. Dabei sind folgende Teilaufgaben zu lösen: 2.1 Die Kolonne ist nachzurechnen. Die Ergebnisse sind mit denen der ersten Aufgabe zu vergleichen. 2.2 Die graphischen Darstellungen der Konzentrationsprofile sind auszuwerten. 2.3 Die unterschiedlichen Varianten für das Vorwärmen des Einlaufproduktes sind zu diskutieren. Eine Schaltung ist zu untersuchen.

3 Simulation & Optimierung: Übungsaufgaben 3 3. Übung Die folgende Veresterungsreaktion soll in einem kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktor ablaufen: Essigsäure Ethanol Essigsäureethylester Wasser Die Reaktionskinetik ist durch folgende Beziehungen gegeben: In den Reaktor treten folgende Ströme ein: Ethanol-Strom : 25 kmol/h ( 20 C und 1 bar ) Essigsäure-Strom: 25 kmol/h ( 20 C und 1 bar ) 3 Das Reaktionsvolumen beträgt 0.5 m. Die Reaktion soll bei einer Temperatur von 100 C und einem Druck von 1 bar ablaufen. Es ist vorauszusetzen, dass die Reaktion nur in der flüssigen Phase abläuft. Folgende Teilaufgaben sind zu lösen: - Der Reaktionsprozess ist zu simuliere. Wählen Sie einen geeigneten Modellblock und machen Sie sich mit dessen Parametrierung vertraut. - Beurteilen Sie die Effizienz des Prozesses. Was müßte unternommen werden, um die Nutzung der Einsatzstoffe zu verbessern, bzw. um den Umsatz zu erhöhen?

4 Simulation & Optimierung: Übungsaufgaben 4 Für die Chlorierung von Propylen zu Allylchlorid wird ein Rohrreaktor eingesetzt. Vereinfachend werde angenommen, dass die Reaktion nach folgendem Mechanismus abläuft a) Bildung von Allylchlorid (1) S Bildung von 1,2 - Dichlorpropan (2) Die beiden Reaktionen können durch folgende Beziehungen für die Reaktionsgeschwindigkeiten (angegeben in einer zu Aspen Plus konformen Form) beschrieben werden: Der Rohrreaktor hat folgende Abmessungen: Länge: 6 m Durchmesse: 0.05 m Das in den Reaktor eintretende Gas hat folgenden Zustand: Bestimmen Sie die Zusammensetzung und die Temperatur des Gases am Austritt des Reaktors unter folgenden Bedingungen: a) Der Reaktor wird gekühlt. Die Kühlmitteltemperatur ist konstant und beträgt 200 C; die k-zahl hat einen Wert von 28.4 W / m²k. b) Der Reaktor wird isotherm betrieben. c) Der Reaktor wird adiabat betrieben.

5 Simulation & Optimierung: Übungsaufgaben 5 4. Übung Ein Luftstrom ist mit Kalksteil-Staub beladen. Der Staub soll in einem Zyklon abgeschieden werden. Dieser Zyklon ist auszulegen. Die folgenden Problemdaten sind bekannt: Für den Kalkstein-Staub wurde das folgende Partikelgrößen-Spektrum ermittelt Klassengrenzen ( in ìm) Häufigkeit Folgende Aufgaben sind zu lösen: a) Die Abmessungen sowie die erzielbare Abscheidewirkung ist mit dem in der Modellbibliothek bereitgestellten Zyklonmodell zu bestimmen. Die Parameter des Modells sind geeignet zu wählen. b) Es ist zu untersuchen, wie sich der Zyklondurchmesser mit dem Luftstrom, bei gleichbleibendem Massenstrom des Kalkstein-Staubes, verändert. Die Untersuchung ist für einen Bereich von m³/h auszuführen. Die Aufgabenstellung der der ersten Übung (Nachrechnung eines Rohrbündel- Wärmeübertrager) ist dahingehend zu modifizieren, dass der Heizdampfstrom für folgende Zieltemperaturen im kalten Strom zu berechnen ist: T = 70, 80, 90 C. kalt_aus Die folgenden Aufgaben sind zu lösen:

6 Simulation & Optimierung: Übungsaufgaben 6 S S Interpretieren Sie die Ergebnisse; diskutieren Sie insbesondere, warum die letzte Zieltemperatur sich praktisch nicht realisieren lässt. Wie könnte man möglichst schnell einen Überblick zum Betriebsbereich es Wärmeübertragers gewinnen? 3. Aufgabe Für die in der 4./5. Übung berechnete Schaltung ( s. Abbildung ) einer Kolonne mit Wärmeübertrager ist die optimale Lösung bezüglich der jährlichen Gesamtkosten zu bestimmen. Der Einlaufstrom beträgt. Die anderen Aufgabendaten, insbesondere die geforderten Kopf- und Sumpfreinheiten, bleiben unverändert. Die spezifischen Kosten für den Wärmeübertrager betragen / m². Der Kosten für den Wärmeübertrager sollen über zwei Jahre auf die Gesamtkosten umgelegt werden. Die spezifischen Heizkosten für die Sumpfheizung der Kolonne sind mit 0.2 /kwh anzusetzen. Die Betriebsdauer der Anlage liege bei 8000 j/a. Folgende Aufgaben sind zu lösen: a) Die Übertragerfläche des Wärmeübertragers ist so zu bestimmen, dass die jährlichen Gesamtkosten ein Minimum annehmen. b) Die spezifischen Kosten sowie die jährliche Betriebsdauer sind in sinnvollen Bereichen zu variieren; die Lösungen sind zu interpretieren.

7 Simulation & Optimierung: Übungsaufgaben 7 5. Übung Das dynamischer Verhalten einer Destillationskolonne ist mit Aspen Dynamics zu untersuchen. Folgende Daten sind bekannt: Die geometrischen Daten sind wie folgt vorgegeben: S Rücklaufspeicher: liegender Zylinder mit elliptischen Stirnflächen Länge: 0,5 m ; Durchmesser: 0,3 m ; Füllgrad: 0,5 S Sumpf: Stehender Zylinder mit elliptischem Boden Höhe: 1 m ; Durchmesser: 0,3 m ; Füllgrad : 0,5 S Böden Bodentyp: einfach Abstand von Boden zu Boden: 0,5 m Durchmesser: 0,5 m Wehrhöhe: 0,1 m Für die Druckverhältnisse gilt: S Druck im Kondensator: 0,9 bar S Druckverlust über die Kolonne : 0.1 bar Im Einzelnen sind folgende Aufgaben zu lösen: S Die Übergangsfunktionen der Kopf- und Sumpfkonzentrationen sind für sprungförmige Änderungen der Zulaufzusammensetzung zu ermitteln. S Welche Möglichkeit gibt es, die Kopfkonzentration bei schwankenden Einlaufbedingungen zu stabilisieren?