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
Gliederung Motivation und Grundlagen ExergySim Beispiele Zusammenfassung Workshop Fließschemasimulationen in der Energietechnik, Name der Präsentation, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig2 2
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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig3 3
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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig4 4
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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig5 5
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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig6 6
ExergySim: Grundidee Umgebung Prozess Strom Strom Block Strom Block Strom Strom Utility Workshop Fließschemasimulationen in der Energietechnik, Name der Präsentation, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig7 7
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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig8 8
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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig9 9
Gliederung Motivation und Grundlagen ExergySim Beispiele Zusammenfassung Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 10 10
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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 11 11
Beispiel 1: Umsatz von A 1.0 0.8 conversion 0.6 0.4 0.2 T = 298.15 K p = 101325 Pa A B 0.0-40 -20 0 20 40 free enthalpy of reaction in MJ/kmol Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 12 12
Beispiel 1: Exergieverluste exergy destruction in MJ/(kg product) 1000 100 10 1 distillation total recycle 0.1-40 -20 0 20 40 free enthalpy of reaction in MJ/kmol Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 13 13
Beispiel 1: Exergieverluste bei unterschiedlichen Temperaturen 1000 exergy destruction in MJ/(kg product) 100 10 1 T reactor = 298.15 K T reactor = 400 K T reactor = 600 K 0.1-40 -20 0 20 40 Gibbs energy of reaction in MJ/kmol Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 14 14
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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 15 15
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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 16 16
Beispiel 2: Syntheserouten 140 120 100 80 60 chemical exergy in MJ/kg 50 40 30 20 10 glucose crude oil ethanol ethylene ethylene oxide 1,2-ethanediol 0 Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 17 17
Beispiel 2: Syntheserouten - Erdöl 140 120 100 80 60 hydrogen chemical exergy in MJ/kg 50 40 30 20 10 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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 18 18
Beispiel 2: Syntheserouten Biomasse (indirekt) 140 120 100 80 60 hydrogen chemical exergy in MJ/kg 50 40 30 20 10 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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 19 19
Beispiel 2: Syntheserouten Biomasse (direkt) 140 120 100 80 60 hydrogen chemical exergy in MJ/kg 50 40 30 20 10 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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 20 20
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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 21 21
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 6 0.4 3.3 9.0 1,2-Ethanediol C 2 H 6 O 2 2.5 Ethanol C 2 H 6 O Ethylene C 2 H 4-0.2 3.9 2.6 15.6 1.9-0.6 1.6 1.3-0.2 1.5 Ethylene oxid C 2 H 4 O Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 22 22
Beispiel 2: Exergieverluste 30 exergy destruction in mj/(kg product) 20 10 exergy for separation physical exergy chemical exergy 0 direct pathway indirect pathway 1,2-Ethanediol production Workshop Fließschemasimulationen in der Name Energietechnik, der Präsentation, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 23 23
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, 13.11.2012, 20.03.2008 Leipzig 24 24
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