ExergySim - Fließschemasimulation in einem frühen Entwicklungsstadium mit dem Fokus auf Exergiebilanzen P. Frenzel, R. Hillerbrand, A.

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1 ExergySim - Fließschemasimulation in einem frühen Entwicklungsstadium mit dem Fokus auf Exergiebilanzen P. Frenzel, R. Hillerbrand, A. Pfennig AVT Thermal Process Engineering, RWTH Aachen Department of Values, Technology & Innovation, TU Delft Chemical Engineering and Environmental Technology, TU Graz

2 Gliederung Motivation und Grundlagen ExergySim Beispiele Zusammenfassung Workshop Fließschemasimulationen in der Energietechnik, Name der Präsentation, , Leipzig2 2

3 possible biobased synthesis pathways C1- (C2-, C3-) building blocks biomass starch, sugar, vegetable oil remains: energy use products cellulose, lignin, use of whole plant, biorefinery Workshop Fließschemasimulationen in der Energietechnik, Name der Präsentation, , Leipzig3 3

4 Exergiebilanzen Vorteile von Exergiebilanzen Gleichgewichtslage Vergleich verschiedener Energieformen Potenzial zur Wärmeintegration Kosten vergleichbare Stoffdaten wie bei Stoff- und Energiebilanzen Quantitativer Vergleich von Syntheserouten und Prozessen im frühen Entwicklungsstadium Workshop Fließschemasimulationen in der Energietechnik, Name der Präsentation, , Leipzig4 4

5 calculation of exergy exergy of material flow E i N ( Ephys, i + Echem, i ) E i 1 mix physical exergy of material flow E ig phys, i T T 0 c ig p, i T ' chemical exergy of material flow dt ' T 0 T T 0 c ig p, i T ' T ' dt ' R p p 0 dp' p' E chem, i f G o i j i 1 i, j E chem, j Workshop Fließschemasimulationen in der Energietechnik, Name der Präsentation, , Leipzig5 5

6 Anforderung an Prozesssimulator geeignet für erste Bewertungen von Syntheserouten einfach und schnell in der Anwendung Unterstützung von Exergiebilanzen Umfangreiche Eingriffsmöglichkeiten Modellannahmen Prozessparameter Stoffdaten Entwicklung eigener Simulationssoftware Workshop Fließschemasimulationen in der Energietechnik, Name der Präsentation, , Leipzig6 6

7 ExergySim: Grundidee Umgebung Prozess Strom Strom Block Strom Block Strom Strom Utility Workshop Fließschemasimulationen in der Energietechnik, Name der Präsentation, , Leipzig7 7

8 Strom Strom Temperatur Druck Typ Zusammensetzung (Mol- und Massenanteile) Komponente 1 Komponente N Name CAS Stoffdaten Formel Typ DIPPR Gruppenbeitragsmethoden Excel Workshop Fließschemasimulationen in der Energietechnik, Name der Präsentation, , Leipzig8 8

9 Verfügbare Grundoperationen verschaltbare Grundoperationen Mischer, Splitter Pumpe, Kompressor, Wärmeübertrager Verdampfer, Kondensator Reaktor Flash, Rektifikation Extraktion Vorgabe oder Berechnung zentraler Größen Verteilungskoeffizienten Freie Reaktionsenthalpie Workshop Fließschemasimulationen in der Energietechnik, Name der Präsentation, , Leipzig9 9

10 Gliederung Motivation und Grundlagen ExergySim Beispiele Zusammenfassung Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 10 10

11 Beispiel 1: Allgemeiner Prozess A B T = 298 K p reactor = 1 bar A A A,B B reactor distillation Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 11 11

12 Beispiel 1: Umsatz von A conversion T = K p = Pa A B free enthalpy of reaction in MJ/kmol Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 12 12

13 Beispiel 1: Exergieverluste exergy destruction in MJ/(kg product) distillation total recycle free enthalpy of reaction in MJ/kmol Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 13 13

14 Beispiel 1: Exergieverluste bei unterschiedlichen Temperaturen 1000 exergy destruction in MJ/(kg product) T reactor = K T reactor = 400 K T reactor = 600 K Gibbs energy of reaction in MJ/kmol Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 14 14

15 Beispiel 1: Fazit hohe Exergieverluste bei positiver freie Reaktionsenthalpie Edukte und Produkte mit ähnlicher chemischer Exergie bevorzugen Destillation exergie-intensiv bei kleinen Konzentrationen Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 15 15

16 Beispiel 2: Schnelle Bewertung von Syntheserouten Angabe von Edukten und Produkten Reaktionsbedingungen Berechnung von Stöchiometrie Selektivität Gleichgewichtsumsatz Abschätzung Trennaufwand Rückführungsströme Erste Abschätzung für Exergiebedarf Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 16 16

17 Beispiel 2: Syntheserouten chemical exergy in MJ/kg glucose crude oil ethanol ethylene ethylene oxide 1,2-ethanediol 0 Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 17 17

18 Beispiel 2: Syntheserouten - Erdöl hydrogen chemical exergy in MJ/kg crude oil glucose ethanol ethylene ethylene oxide 1,2- ethanediol 0 CO 2 water, O 2 water Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 18 18

19 Beispiel 2: Syntheserouten Biomasse (indirekt) hydrogen chemical exergy in MJ/kg crude oil glucose ethanol ethylene ethylene oxide 1,2- ethanediol 0 CO 2 water, O 2 water Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 19 19

20 Beispiel 2: Syntheserouten Biomasse (direkt) hydrogen chemical exergy in MJ/kg crude oil glucose ethanol ethylene ethylene oxide 1,2- ethanediol 0 CO 2 water, O 2 water Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 20 20

21 Beispiel 2: Reaktionsbedingungen Glucose C 6 H 12 O 6 Ethanol C 2 H 6 O T: 30C p: 5 bar aqueous solution (80 w-%) T: 25C aqueous solution (80 w-%) 1,2-Ethanediol C 2 H 6 O 2 T: 200C p: 24 bar Ethylene C 2 H 4 T: 400C T: 225C p: 16 bar Ethylene oxid C 2 H 4 O Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 21 21

22 Beispiel 2: Exergieverluste chemical exergy (MJ/kg product ) physical exergy (MJ/kg product ) ex. for separation (MJ/kg product ) Glucose C 6 H 12 O ,2-Ethanediol C 2 H 6 O Ethanol C 2 H 6 O Ethylene C 2 H Ethylene oxid C 2 H 4 O Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 22 22

23 Beispiel 2: Exergieverluste 30 exergy destruction in mj/(kg product) exergy for separation physical exergy chemical exergy 0 direct pathway indirect pathway 1,2-Ethanediol production Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 23 23

24 Zusammenfassung Typische Grundoperationen implementiert (Reaktor, Extraktor, Rektifikation ) Prozesse mit hohen Produktkonzentrationen bevorzugen Destillation bei kleinen Produktkonzentrationen exergie-intensiv wässrige Lösungen in der Biotechnologie Produkte ihren Rohstoffen anpassen! Individuelle Bewertung einzelner Prozesse! Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, , Leipzig 24 24

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