Reduktion des CO2-Ausstoßes der Destillation durch energieeffiziente Stofftrennung in multiplen Trennwandkolonnen (Nachbewilligung)
Projektdurchführung
Universität Ulm
Institut für Chemieingenieurwesen
Arbeitsgruppe Thermische Prozesstechnik
Albert-Einstein-Allee 47
89081 Ulm
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Praktisch alle chemischen Produktionsprozesse beinhalten zahlreiche Aufreinigungsschritte, um die gewünschten Produkte in der erforderlichen Qualität zu gewinnen. Die bei Weitem wichtigste Trennoperation ist in diesem Zusammenhang die Destillation. Die Relevanz der Destillation, insbesondere für die mitteleuropäische 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, trägt diese einen hohen Anteil zum CO2 Ausstoß der chemischen Industrie bei, was wiederrum hohes Einsparungspotential mit sich bringt. Für die USA liegen für das Jahr 2001 belastbare Zahlen vor. So beziffert sich der Energieverbrauch für die Produktaufarbeitung insgesamt auf 22 % des industriellen
Verbrauches, wovon wiederrum 49 % auf das Konto der mehr als 40.000 installierten Destillationskolonnen in den Vereinigten Staaten geht. In genauen Zahlen ausgedrückt handelt es sich dabei um umgerechnet 7?1012 kWh pro Jahr. Auf den Gesamtenergieverbrauch des Jahres in den USA bezogen (umgerechnet 28?1013 kWh/a) können 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 %. Für Europa liegen keine bekannten entsprechenden Studien vor. Aufgrund der vergleichbaren Industrialisierung kann aber davon ausgegangen werden, dass es sich um ähnliche Dimensionen handelt. Damit verursacht die Destillation eine signifikante Menge des globalen CO2 Ausstoßes. Um den Energieverbrauch der Destillation zu reduzieren und damit ihren Einfluss auf die globale Erwärmung 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 später auch auszuschöpfen, wird in diesem Antrag vorgeschlagen, multiple Trennwandkolonne zunächst detailliert, systematisch und realitätsnah simulativ zu untersuchen und so die Grundlage für die technische Umsetzung zu schaffen. Im Unterschied zu bisherigen Veröffentlichungen 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 Universität Ulm zu errichten. Dies wird ein wesentlicher Grundstein für eine Implementierung in der chemischen Industrie sein.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenArbeitspaket 1
Zunächst sind Modellsysteme zu definieren, die an der Universität problemlos eingesetzt werden können und gleichzeitig die Machbarkeit unseres Konzeptes demonstrieren können. Erste Vorarbeiten hierzu haben stattgefunden. Die Modellsysteme müssen aus mindestens vier Komponenten bestehen, deren Siedepunkte in einem physikalisch sinnvollen Bereich liegen und die kein azeotropes Verhalten aufweisen. Gleichzeitig sollten die Stoffe möglichst nicht toxisch, krebserregend, mutagen oder erbgutschädigend sein. Zusätzlich sind Aspekte wie
Entzündbarkeit und der Preis zu beachten. In ersten Überlegungen hierzu konzentrieren wir uns auf die Stoffklassen der Alkohole, Ketone, Aldehyde, Ether, Alkane und Ester. Nach Festlegung der Stoffsysteme ist die Frage zu klären, welche der konstruktiv vereinfachten Schaltungen umgesetzt werden soll. Dazu sind umfangreiche Simulationsstudien durchzuführen. Hierzu werden die bereits erarbeiteten und bestehenden Modelle verwendet.
Dabei handelt es sich um rigorose, stationäre Gleichgewichtsstufenmodelle die in dem kommerziellen Prozesssimulator Aspen Plus® implementiert sind. Rigoros bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Massen und Energiebilanzen sowie die Phasengleichgewichte ohne Vereinfachungen gelöst werden. Neben belastbaren Reinstoffdaten für die betrachteten Komponenten sind dazu verlässliche thermodynamische Modelle erforderlich,
die bereits in der Software implementiert sind. Wir stellen vor dem Start der Simulationsstudie sicher, dass die Vorhersage der Modelle mit dokumentierten Messwerten übereinstimmt. 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 Trennwänden. Diese Varianten reduzieren die Zahl der Freiheitsgrade aufgrund einer vereinfachten inneren Struktur der Kolonne was einen Transfer in die industrielle
Anwendung sehr viel wahrscheinlicher werden lässt. Abhängig von den Eigenschaften des Stoffsystems, können auch die vereinfachten Varianten im selben energetischen Optimum betrieben werden wie die multiple Trennwandkolonne ohne Vereinfachungen. Die Simulationsstudien mit den im Rahmen dieses Arbeitspaketes ausgewählten Stoffsystemen wird ergeben, welche Vereinfachung realisiert werden soll und stellt somit einen
wesentlichen 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.
Arbeitspaket 2
Dieses Arbeitspaket wird in enger Kooperation mit unseren industriellen Partnern durchgeführt. 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 Brugma-Schaltung ausgeführt wird. Dies bedeutet, dass die zwei Seiten links und rechts der Trennwand als eigenständige
Kolonnen realisiert werden. Dies ist das Standardvorgehen für Labor- und Technikums TWK, da sich die Trennwände 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.
Packungen) verwendet werden sollen. Basierend auf stationären und dynamischen Simulationen sollen hier auf theoretischer Basis alle Fragen beantwortet werden die für die reale Ausführung der Kolonne erforderlich sind.
Arbeitspaket 3
Dieses Arbeitspaket hat das Ziel, der realen Betrieb der Anlage ist zu testen. Die während 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
Zusammenarbeit mit KMU geben.
Ergebnisse und Diskussion
Die im Antrag genannten Forschungsfragen konnten vollständig beantwortet werden. Im Rahmen des geförderten Projektes konnte die erste multiple Trennwandkolonne zur Trennung quaternärer Stoffsysteme vollständig in Betrieb genommen werden. In einem ersten Schritt wurden sieben potentielle Stoffsysteme ausgewählt. Im Anschluss konnte gezeigt werden, dass eine vereinfachte Anlagenkonfiguration mit nur zwei anstatt drei internen
Trennwänden in der Lage ist die identifizierten Stoffsystem weiterhin am thermodynamischen Optimum zu trennen. Stationäre und dynamischen Simulationen wurden eingesetzt um Betriebspunkte zu definieren, das dynamische Verhalten der Kolonne zu studieren, insbesondere während des Anfahrens der Anlage sowie geeignete Regelkonzepte auszuwählen um einen robusten Betrieb zu erreichen und zu gewährleisten. Die realisierte Anlage verfügt über großen Flexibilität und kann auch für heute noch unbekannte künftige Forschungsfragestellungen eingesetzt werden. Hierzu zählen insbesondere Druckbereiche vom hohen Vakuum bis zu Umgebungsdruck, die Möglichkeit den Feedstrom an unterschiedlichen Stellen anzuschließen, eine weitgehend freie Wahl der Regelstrategien sowie eine korrosionsbeständige Ausführung der Anlage. Die Technikumsumgebung wurde
zusammen 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 ausgerüstet. Diese Umgebung erlaubt es künftig auch industriell relevante Stoffsystem zu untersuchen die beispielsweise explosionsgefährlich sind.
Im Herbst 2021 wurde die Anlage schließlich 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 stationärer Betriebspunkt wird nach wenigen Stunden erreicht, was als ein Meilenstein in der Entwicklung angesehen werden kann. Die seit Inbetriebnahme durchgeführten Versuche
zeigen, dass die Anlage die gewünschte Funktionalität aufweist und die experimentellen Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen der stationären und dynamischen Simulation liegen.
Damit ist nun die weltweit erste multiple Trennwandkolonne vollständig in Betrieb genommen worden. Die Anlage wird in Zukunft als Basis für die Bearbeitung akademischer und industrieller Forschungsprojekte sein. Insbesondere kleinere und mittlere Unternehmen können im Rahmen industriell relevanter wissenschaftlicher Fragestellungen
die Infrastruktur nutzen. Damit kann die Anlage den Weg hin zur industriellen Anwendung ebnen indem sie experimentelle Untersuchungen beschleunigt, bzw. überhaupt erst möglich werden lässt.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Aus dem geförderten Projekt gab es eine Reihe von wissenschaftlichen Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Fachzeitschriften sowie Konferenzen sowie eine Pressemitteilung der Universität Ulm.
U. Preißinger, G. Luka?, I. Dejanovi?, T. Grützner: Impact of Various Feed Properties on the Performance of a Control System for a Multiple Dividing Wall Column, ChemEngineering, 2021, 5, 29, DOI:
10.3390/chemengineering5020029
U. Preißinger, G. Luka?, I. Dejanovi?, T. Grützner: Investigation of Control Structures for a 4-Product Laboratory
Multiple Dividing Wall Column Using Dynamic Simulation, Chem. Eng. Tech., 44 (2), 2021, 223 - 237, published online 2020, DOI: 10.1002/ceat.202000557
U. Preißinger, L. Ränger, T. Grützner: Design Considerations of Simplified Multiple Dividing Wall Pilot Plant, Chemengineering, 3, 34, 2019, DOI: 10.3390/chemengineering3020034
L. Ränger, U. Preißinger, T. Grützner: Multiple Dividing Wall Columns - Current Status and Future Prospects, Chem.
Ing. Tech., 91 (4), 2019, 420 - 428, DOI: 10.1002/cite.201800080
U. Preißinger, L. Trescher, T. Grützner: Untersuchung der Regelbarkeit multipler Trennwandkolonnen auf Basis dynamischer Simulation, Fachausschuss Fluidverfahrenstechnik, virtual Meeting, 24.02. - 26.02.2021
G. Luka?, U. Preißinger, T. Grützner, I. Dejanovi?: Simulating Complex Distillation Sequences Using Commercial Simulators, 13th SMLKI Conference, Zagreb
U. Preißinger, G. Luka?, I. Dejanovi?, T. Grützner: Considerations on the Design of a Pilot-Plant-Scale Simplified Multiple Dividing Wall Column, 13th SMLKI Conference, Zagreb, 20.-21.02.2020
U. Preißinger, Lena-Marie Ränger, Thomas Grützner: Considerations on the design of a pilot-plant-scale simplified multiple dividing wall column, 23rd ICHIP, Warschau (Polen), 02.-05.06.2019
G. Luka?, U. Preißinger, I. Dejanovi?, T. Grützner: Controllability of Pilot Multiple Dividing Wall Column for Various
Feed Compositions, 12th International Conference Distillation & Absorption 2022, Toulouse, France, 18. 21.09.2022 (accepted contribution)
U. Preißinger: Theoretical Investigtions on Multiple Dividing Wall Columns, Dissertation Universität Ulm, 2022, (in Bearbeitung)
Pressemitteilung der Universität Ulm vom 03.02.2022: Destillationsanlage der Superlative
Fazit
Im Rahmen es durch die DBU geförderten Projektes konnten wesentlich Fragen auf dem Weg zum Betrieb der weltweit ersten multiplen Trennwandkolonne bearbeitet erden. Zunächst konnte ein vereinfachtes Kolonnendesign erarbeitet werden, was die Anzahl der Freiheitsgrade, und damit die Komplexität der Anlage, von 23 auf 19 reduziert. Es konnte ferner gezeigt werden, dass diese Vereinfachung für zahlreiche industriell relevante Stoffsysteme nicht mit einer Erhöhung des Energiebedarfs einhergeht sondern dass die Anlage weiterhin am thermodynamischen Optimum betrieben werden kann. Mit anderen Worten: Eine energetisch bessere Trennung ist unmöglich.
Auf Basis von verschiedenen rigorosen stationären und dynamischen Simulationsstudien konnte ein Kolonnendesign ermittelt werden, was eine größtmögliche Flexibilität im Hinblick auf die, unbekannten Trennaufgaben der Zukunft bietet. Es wurde die Höhe sowie der Durchmesser auf Basis thermodynamisch und fluiddynamischer Überlegungen
ermittelt 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
Versuche seit Inbetriebnahme zeigen eindrucksvoll die Funktionalität der Anlage. Ein wesentliches Ergebnis in diesem Zusammenhang ist, dass die Anlage in wenigen Stunden von einem kalten und trockenen Zustand in einen stationären Betriebspunkt gebracht werden kann. Dieses Anfahrprozedere wurde zunächst rein auf Basis dynamischer Simulationen erarbeitet.
Die Erkenntnisse dieses Projektes wurden über zahlreiche Publikationen in Fachzeitschriften und Konferenzen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Ferner ging aus diesem Projekt eine Doktorarbeit hervor.
Grundsätzlich steht nun eine funktionsfähige Versuchsanlage zur Verfügung an der das komplexe Verhalten multipler Trennwandkolonnen studiert werden kann. Selbstverständlich kann die Anlage auch im Rahmen industrieller Kooperationen eingesetzt werden um die Verfahrensentwicklung zu unterstützen. Mit der Inbetriebnahme der Anlage ist ein wesentlicher Meilenstein auf dem Weg hin zur industriellen Umsetzung dieser außerordentlich energieeffizienten Technologie erreicht worden. Nicht zuletzt hat auch schon während des Projektes ein KMU vom Bau der Anlage profitiert, nicht nur finanziell, sondern insbesondere auch durch einen enormen Wissenstransfer von der Universität.