Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Praktisch alle chemischen Produktionsprozesse beinhalten zahlreiche Aufreinigungsschritte, um die gew\u00fcnschten Produkte in der erforderlichen Qualit\u00e4t zu gewinnen. Die bei Weitem wichtigste Trennoperation ist in diesem Zusammenhang die Destillation. Die Relevanz der Destillation, insbesondere f\u00fcr die mitteleurop\u00e4ische Chemieindustrie, wird schon durch die Zahl eingesetzter Kolonnen deutlich. So betreibt beispielsweise die Lonza AG an ihrem Standort in Visp (Schweiz) ca. 180 industrielle Kolonnen. Am BASF-Standort in Ludwigshafen sind ca. 2000 Destillationskolonnen im Einsatz. Da es sich bei der Destillation zudem um das mit Abstand energieintensivste Trennverfahren handelt, tr\u00e4gt diese einen hohen Anteil zum CO2 Aussto\u00df der chemischen Industrie bei, was wiederrum hohes Einsparungspotential mit sich bringt. F\u00fcr die USA liegen f\u00fcr das Jahr 2001 belastbare Zahlen vor. So beziffert sich der Energieverbrauch f\u00fcr die Produktaufarbeitung insgesamt auf 22 % des industriellen
\nVerbrauches, wovon wiederrum 49 % auf das Konto der mehr als 40.000 installierten Destillationskolonnen in den Vereinigten Staaten geht. In genauen Zahlen ausgedr\u00fcckt handelt es sich dabei um umgerechnet 7\u22191012 kWh pro Jahr. Auf den Gesamtenergieverbrauch des Jahres in den USA bezogen (umgerechnet 28\u22191013 kWh\/a) k\u00f6nnen somit 2,5 % des Energiekonsums in den USA der Destillation zugeschrieben werden. Im Vergleich dazu liegt der Anteil der als energieintensiv bekannten Zementindustrie am Energieverbrauch bei etwa 2 %. F\u00fcr Europa liegen keine bekannten entsprechenden Studien vor. Aufgrund der vergleichbaren Industrialisierung kann aber davon ausgegangen werden, dass es sich um \u00e4hnliche Dimensionen handelt. Damit verursacht die Destillation eine signifikante Menge des globalen CO2 Aussto\u00dfes. Um den Energieverbrauch der Destillation zu reduzieren und damit ihren Einfluss auf die globale Erw\u00e4rmung zu minimieren, wird im Folgenden der Einsatz von multiplen Trennwandkolonnen vorgeschlagen, welche eine spezielle Realisierung der Destillation darstellt. Diese ist bereits in der Literatur bekannt, allerdings wurde von noch keiner realen Anlage berichtet. Erste Simulationen zeigten bereits, dass multiple Trennwandkolonnen, je nach Stoffsystem, circa 50 – 55% Energieeinsparung verglichen mit der konventionellen Destillationssequenz erreichen. Um dieses hohe Potential zu untersuchen und sp\u00e4ter auch auszusch\u00f6pfen, wird in diesem Antrag vorgeschlagen, multiple Trennwandkolonne zun\u00e4chst detailliert, systematisch und realit\u00e4tsnah simulativ zu untersuchen und so die Grundlage f\u00fcr die technische Umsetzung zu schaffen. Im Unterschied zu bisherigen Ver\u00f6ffentlichungen wird kein Idealfall untersucht oder eine spezifische Fragestellung bearbeitet. Es sollen strukturiert umfangreiche Grundlagen erarbeitet werden, die unabdingbar sind, um auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse zusammen mit dem KMU und industriellen Partnern Iludest GmbH die weltweit erste Pilotanlage einer multiplen Trennwandkolonne an der Universit\u00e4t Ulm zu errichten. Dies wird ein wesentlicher Grundstein f\u00fcr eine Implementierung in der chemischen Industrie sein. <\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenArbeitspaket 1
\nZun\u00e4chst sind Modellsysteme zu definieren, die an der Universit\u00e4t problemlos eingesetzt werden k\u00f6nnen und gleichzeitig die Machbarkeit unseres Konzeptes demonstrieren k\u00f6nnen. Erste Vorarbeiten hierzu haben stattgefunden. Die Modellsysteme m\u00fcssen aus mindestens vier Komponenten bestehen, deren Siedepunkte in einem physikalisch sinnvollen Bereich liegen und die kein azeotropes Verhalten aufweisen. Gleichzeitig sollten die Stoffe m\u00f6glichst nicht toxisch, krebserregend, mutagen oder erbgutsch\u00e4digend sein. Zus\u00e4tzlich sind Aspekte wie
\nEntz\u00fcndbarkeit und der Preis zu beachten. In ersten \u00dcberlegungen hierzu konzentrieren wir uns auf die Stoffklassen der Alkohole, Ketone, Aldehyde, Ether, Alkane und Ester. Nach Festlegung der Stoffsysteme ist die Frage zu kl\u00e4ren, welche der konstruktiv vereinfachten Schaltungen umgesetzt werden soll. Dazu sind umfangreiche Simulationsstudien durchzuf\u00fchren. Hierzu werden die bereits erarbeiteten und bestehenden Modelle verwendet.
\nDabei handelt es sich um rigorose, station\u00e4re Gleichgewichtsstufenmodelle die in dem kommerziellen Prozesssimulator Aspen Plus\u00ae implementiert sind. Rigoros bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Massen und Energiebilanzen sowie die Phasengleichgewichte ohne Vereinfachungen gel\u00f6st werden. Neben belastbaren Reinstoffdaten f\u00fcr die betrachteten Komponenten sind dazu verl\u00e4ssliche thermodynamische Modelle erforderlich,
\ndie bereits in der Software implementiert sind. Wir stellen vor dem Start der Simulationsstudie sicher, dass die Vorhersage der Modelle mit dokumentierten Messwerten \u00fcbereinstimmt. Dazu verwenden wir die Dortmunder Datenbank, auf die wir Zugriff haben, sowie Daten aus der Literatur. Ziel ist eine vereinfachte Realisierung der multiplen Trennwandkolonne mit nur zwei anstatt drei Trennw\u00e4nden. Diese Varianten reduzieren die Zahl der Freiheitsgrade aufgrund einer vereinfachten inneren Struktur der Kolonne was einen Transfer in die industrielle
\nAnwendung sehr viel wahrscheinlicher werden l\u00e4sst. Abh\u00e4ngig von den Eigenschaften des Stoffsystems, k\u00f6nnen auch die vereinfachten Varianten im selben energetischen Optimum betrieben werden wie die multiple Trennwandkolonne ohne Vereinfachungen. Die Simulationsstudien mit den im Rahmen dieses Arbeitspaketes ausgew\u00e4hlten Stoffsystemen wird ergeben, welche Vereinfachung realisiert werden soll und stellt somit einen
\nwesentlichen Meilenstein auf dem Weg hin zum Bau und dem Betrieb einer realen Anlage dar. dieses Arbeitspaketes ist die Definition unterschiedlicher Modellsysteme und die Festlegung auf eine Konfiguration der vereinfachten mTWK.<\/p>\n
Arbeitspaket 2
\nDieses Arbeitspaket wird in enger Kooperation mit unseren industriellen Partnern durchgef\u00fchrt. Es ist die Frage zu beantworten, wie die praktische Umsetzung der Kolonne zu erfolgen hat und welche Strategie der Kolonnenregelung anzuwenden ist. Klar ist, dass die Technikumskolonne im Labor als sogenannte \u201eBrugma-Schaltung\u201c ausgef\u00fchrt wird. Dies bedeutet, dass die zwei Seiten links und rechts der Trennwand als eigenst\u00e4ndige
\nKolonnen realisiert werden. Dies ist das Standardvorgehen f\u00fcr Labor- und Technikums TWK, da sich die Trennw\u00e4nde aufgrund der kleinen Kolonnendurchmesser nicht ohne weiteres realisieren lassen. Damit verbunden ist die Frage, welchen Durchmesser die einzelnen Teilkolonnen haben sollen und welche Art von Kolonneneinbauten (z.B.
\nPackungen) verwendet werden sollen. Basierend auf station\u00e4ren und dynamischen Simulationen sollen hier auf theoretischer Basis alle Fragen beantwortet werden die f\u00fcr die reale Ausf\u00fchrung der Kolonne erforderlich sind.<\/p>\n
Arbeitspaket 3
\nDieses Arbeitspaket hat das Ziel, der realen Betrieb der Anlage ist zu testen. Die w\u00e4hrend des Betriebes gewonnenen experimentellen Daten sollen ferner dazu benutzt werden die aus der Simulation gewonnen Ergebnisse zu validieren. Es soll untersucht werden, ob sich die Ergebnisse der Simulation auch im realen Betrieb realisieren lassen und ob die ermittelten Anfahr- und Regelkonzepte funktionieren. Auch hier wird es eine sehr enge fachliche
\nZusammenarbeit mit KMU geben.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die im Antrag genannten Forschungsfragen konnten vollst\u00e4ndig beantwortet werden. Im Rahmen des gef\u00f6rderten Projektes konnte die erste multiple Trennwandkolonne zur Trennung quatern\u00e4rer Stoffsysteme vollst\u00e4ndig in Betrieb genommen werden. In einem ersten Schritt wurden sieben potentielle Stoffsysteme ausgew\u00e4hlt. Im Anschluss konnte gezeigt werden, dass eine vereinfachte Anlagenkonfiguration mit nur zwei anstatt drei internen
\nTrennw\u00e4nden in der Lage ist die identifizierten Stoffsystem weiterhin am thermodynamischen Optimum zu trennen. Station\u00e4re und dynamischen Simulationen wurden eingesetzt um Betriebspunkte zu definieren, das dynamische Verhalten der Kolonne zu studieren, insbesondere w\u00e4hrend des Anfahrens der Anlage sowie geeignete Regelkonzepte auszuw\u00e4hlen um einen robusten Betrieb zu erreichen und zu gew\u00e4hrleisten. Die realisierte Anlage verf\u00fcgt \u00fcber gro\u00dfen Flexibilit\u00e4t und kann auch f\u00fcr heute noch unbekannte k\u00fcnftige Forschungsfragestellungen eingesetzt werden. Hierzu z\u00e4hlen insbesondere Druckbereiche vom hohen Vakuum bis zu Umgebungsdruck, die M\u00f6glichkeit den Feedstrom an unterschiedlichen Stellen anzuschlie\u00dfen, eine weitgehend freie Wahl der Regelstrategien sowie eine korrosionsbest\u00e4ndige Ausf\u00fchrung der Anlage. Die Technikumsumgebung wurde
\nzusammen mit der Anlage geplant und neu realisiert. Das gesamte Technikum wird unter Ex-Schutzbedingungen betrieben und ist mit Sicherheitseinrichtungen nach dem heutigen Stand der Technik ausger\u00fcstet. Diese Umgebung erlaubt es k\u00fcnftig auch industriell relevante Stoffsystem zu untersuchen die beispielsweise explosionsgef\u00e4hrlich sind.<\/p>\n
Im Herbst 2021 wurde die Anlage schlie\u00dflich in Betrieb genommen und der Versuchsbetrieb gestartet. Insbesondere auf Grundlage dynamischer Simulationen konnte im Vorfeld der Inbetriebnahme eine Anfahrstrategie entwickelt werden, die ein schnelles Anfahren erlaubt. Ein station\u00e4rer Betriebspunkt wird nach wenigen Stunden erreicht, was als ein Meilenstein in der Entwicklung angesehen werden kann. Die seit Inbetriebnahme durchgef\u00fchrten Versuche
\nzeigen, dass die Anlage die gew\u00fcnschte Funktionalit\u00e4t aufweist und die experimentellen Ergebnisse in guter \u00dcbereinstimmung mit den Vorhersagen der station\u00e4ren und dynamischen Simulation liegen. <\/p>\n
Damit ist nun die weltweit erste multiple Trennwandkolonne vollst\u00e4ndig in Betrieb genommen worden. Die Anlage wird in Zukunft als Basis f\u00fcr die Bearbeitung akademischer und industrieller Forschungsprojekte sein. Insbesondere kleinere und mittlere Unternehmen k\u00f6nnen im Rahmen industriell relevanter wissenschaftlicher Fragestellungen
\ndie Infrastruktur nutzen. Damit kann die Anlage den Weg hin zur industriellen Anwendung ebnen indem sie experimentelle Untersuchungen beschleunigt, bzw. \u00fcberhaupt erst m\u00f6glich werden l\u00e4sst. <\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Aus dem gef\u00f6rderten Projekt gab es eine Reihe von wissenschaftlichen Ver\u00f6ffentlichungen in wissenschaftlichen Fachzeitschriften sowie Konferenzen sowie eine Pressemitteilung der Universit\u00e4t Ulm.<\/p>\n
U. Prei\u00dfinger, G. Luka\u010d, I. Dejanovi\u0107, T. Gr\u00fctzner: Impact of Various Feed Properties on the Performance of a Control System for a Multiple Dividing Wall Column, ChemEngineering, 2021, 5, 29, DOI:
\n10.3390\/chemengineering5020029<\/p>\n
U. Prei\u00dfinger, G. Luka\u010d, I. Dejanovi\u0107, T. Gr\u00fctzner: Investigation of Control Structures for a 4-Product Laboratory
\nMultiple Dividing Wall Column Using Dynamic Simulation, Chem. Eng. Tech., 44 (2), 2021, 223 – 237, published online 2020, DOI: 10.1002\/ceat.202000557<\/p>\n
U. Prei\u00dfinger, L. R\u00e4nger, T. Gr\u00fctzner: Design Considerations of Simplified Multiple Dividing Wall Pilot Plant, Chemengineering, 3, 34, 2019, DOI: 10.3390\/chemengineering3020034<\/p>\n
L. R\u00e4nger, U. Prei\u00dfinger, T. Gr\u00fctzner: Multiple Dividing Wall Columns – Current Status and Future Prospects, Chem.
\nIng. Tech., 91 (4), 2019, 420 – 428, DOI: 10.1002\/cite.201800080<\/p>\n
U. Prei\u00dfinger, L. Trescher, T. Gr\u00fctzner: Untersuchung der Regelbarkeit multipler Trennwandkolonnen auf Basis dynamischer Simulation, Fachausschuss Fluidverfahrenstechnik, virtual Meeting, 24.02. – 26.02.2021<\/p>\n
G. Luka\u010d, U. Prei\u00dfinger, T. Gr\u00fctzner, I. Dejanovi\u0107: Simulating Complex Distillation Sequences Using Commercial Simulators, 13th SMLKI Conference, Zagreb<\/p>\n
U. Prei\u00dfinger, G. Luka\u010d, I. Dejanovi\u0107, T. Gr\u00fctzner: Considerations on the Design of a Pilot-Plant-Scale Simplified Multiple Dividing Wall Column, 13th SMLKI Conference, Zagreb, 20.-21.02.2020<\/p>\n
U. Prei\u00dfinger, Lena-Marie R\u00e4nger, Thomas Gr\u00fctzner: Considerations on the design of a pilot-plant-scale simplified multiple dividing wall column, 23rd ICHIP, Warschau (Polen), 02.-05.06.2019 <\/p>\n
G. Luka\u010d, U. Prei\u00dfinger, I. Dejanovi\u0107, T. Gr\u00fctzner: Controllability of Pilot Multiple Dividing Wall Column for Various
\nFeed Compositions, 12th International Conference Distillation & Absorption 2022, Toulouse, France, 18. \u2013 21.09.2022 (accepted contribution)<\/p>\n
U. Prei\u00dfinger: Theoretical Investigtions on Multiple Dividing Wall Columns, Dissertation Universit\u00e4t Ulm, 2022, (in Bearbeitung) <\/p>\n
Pressemitteilung der Universit\u00e4t Ulm vom 03.02.2022: \u201eDestillationsanlage der Superlative\u201c<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen es durch die DBU gef\u00f6rderten Projektes konnten wesentlich Fragen auf dem Weg zum Betrieb der weltweit ersten multiplen Trennwandkolonne bearbeitet erden. Zun\u00e4chst konnte ein vereinfachtes Kolonnendesign erarbeitet werden, was die Anzahl der Freiheitsgrade, und damit die Komplexit\u00e4t der Anlage, von 23 auf 19 reduziert. Es konnte ferner gezeigt werden, dass diese Vereinfachung f\u00fcr zahlreiche industriell relevante Stoffsysteme nicht mit einer Erh\u00f6hung des Energiebedarfs einhergeht sondern dass die Anlage weiterhin am thermodynamischen Optimum betrieben werden kann. Mit anderen Worten: Eine energetisch bessere Trennung ist unm\u00f6glich.<\/p>\n
Auf Basis von verschiedenen rigorosen station\u00e4ren und dynamischen Simulationsstudien konnte ein Kolonnendesign ermittelt werden, was eine gr\u00f6\u00dftm\u00f6gliche Flexibilit\u00e4t im Hinblick auf die, unbekannten Trennaufgaben der Zukunft bietet. Es wurde die H\u00f6he sowie der Durchmesser auf Basis thermodynamisch und fluiddynamischer \u00dcberlegungen
\nermittelt sowie, in Zusammenarbeit mit der Iludest GmbH, jede einzelne Komponente der Anlage, die Sensorik sowie die Peripherie ausgelegt. Weiterhin konnte auf Basis dynamischer Simulationen gezeigt werden, dass Regelkonzepte existieren, die einen robusten Betrieb der Anlage erlauben. Nach ersten Abnahmeuntersuchungen beim Hersteller wurde die Anlage nach Ulm gebracht und dort im eigens zur Unterbringung errichteten Technikums aufgebaut. Die
\nVersuche seit Inbetriebnahme zeigen eindrucksvoll die Funktionalit\u00e4t der Anlage. Ein wesentliches Ergebnis in diesem Zusammenhang ist, dass die Anlage in wenigen Stunden von einem kalten und trockenen Zustand in einen station\u00e4ren Betriebspunkt gebracht werden kann. Dieses Anfahrprozedere wurde zun\u00e4chst rein auf Basis dynamischer Simulationen erarbeitet.<\/p>\n
Die Erkenntnisse dieses Projektes wurden \u00fcber zahlreiche Publikationen in Fachzeitschriften und Konferenzen der \u00d6ffentlichkeit zug\u00e4nglich gemacht. Ferner ging aus diesem Projekt eine Doktorarbeit hervor.<\/p>\n
Grunds\u00e4tzlich steht nun eine funktionsf\u00e4hige Versuchsanlage zur Verf\u00fcgung an der das komplexe Verhalten multipler Trennwandkolonnen studiert werden kann. Selbstverst\u00e4ndlich kann die Anlage auch im Rahmen industrieller Kooperationen eingesetzt werden um die Verfahrensentwicklung zu unterst\u00fctzen. Mit der Inbetriebnahme der Anlage ist ein wesentlicher Meilenstein auf dem Weg hin zur industriellen Umsetzung dieser au\u00dferordentlich energieeffizienten Technologie erreicht worden. Nicht zuletzt hat auch schon w\u00e4hrend des Projektes ein KMU vom Bau der Anlage profitiert, nicht nur finanziell, sondern insbesondere auch durch einen enormen Wissenstransfer von der Universit\u00e4t.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Praktisch alle chemischen Produktionsprozesse beinhalten zahlreiche Aufreinigungsschritte, um die gew\u00fcnschten Produkte in der erforderlichen Qualit\u00e4t zu gewinnen. Die bei Weitem wichtigste Trennoperation ist in diesem Zusammenhang die Destillation. Die Relevanz der Destillation, insbesondere f\u00fcr die mitteleurop\u00e4ische Chemieindustrie, wird schon durch die Zahl eingesetzter Kolonnen deutlich. So betreibt beispielsweise die Lonza […]<\/p>\n","protected":false},"author":0,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[56,47,51,52,53],"class_list":["post-27074","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-baden-wuerttemberg","tag-klimaschutz","tag-ressourcenschonung","tag-umweltforschung","tag-umwelttechnik"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"34815\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"","dbu_projektdatenbank_bsumme":"116.000,00","dbu_projektdatenbank_firma":"Universit\u00e4t Ulm\nInstitut f\u00fcr Chemieingenieurwesen\nArbeitsgruppe Thermische Prozesstechnik","dbu_projektdatenbank_strasse":"Albert-Einstein-Allee 47","dbu_projektdatenbank_plz_str":"89081","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Ulm","dbu_projektdatenbank_p_von":"2018-12-17 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2022-04-30 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"3 Jahre und 4 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"+49 731 50 25702","dbu_projektdatenbank_inet":"","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Baden-W\u00fcrttemberg","dbu_projektdatenbank_foerderber":"156","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"DBU-Abschlussbericht-AZ-34815_01-Hauptbericht.pdf","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/27074","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/27074\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":43656,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/27074\/revisions\/43656"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=27074"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=27074"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=27074"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}