Chemische Kinetik - Zielstellungen und Beispiele technischer Anwendungen Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. siemens.com/EC Die Reaktion bestimmt die Struktur eines Verfahrens Schritt 1 Reaktor Schritt 2 Trennung Rückführung Schritt 3 Wärmeintegration Schritt 4 Heiz- und Kühlmedien Reststoffbehandlung Schritt 5 Abwasser, Abluft Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 2 Einleitung / Inhaltsverzeichnis • Theorie zur Reaktionskinetik • Die Vorgehensweise • Arbeitsschritte zur Auslegung von Reaktoren • Beispiel 1 – Komplexe Aufgabe / Einfache Lösung • Beispiel 2 – Größere Reaktionsnetzwerke und Aspen-Plus • Beispiel 3 – Absorption und Reaktion von CO2 • Beispiel 4 – Versuchsanlagen mit Übergabe an den Kunden • Beispiel 5 – Beratungsprojekte Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 3 Viele Theorien bilden die Grundlage einer (chemischen) Kinetik Reaktionskonzepte • • • • • Stoßtheorie Molekularität von Elementarreaktionen Aktivierungsenergien und Übergangszustände Absorption und Lösung von Reaktanten Quantenmechanische Betrachtungen Verweilzeitverteilung einer Kaskade mit n idealen Kesseln 0,1 0,09 Kinetik des Stoff- und Wärmetransports 0,08 n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=7 n=10 n=15 n=20 0,07 h(t) • Strömung, Diffusion, Leitung und Strahlung • Vermischung und Verweilzeitverhalten • Phasenverhalten 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 t/Tau Untersuchung und Optimierung • Untersuchungskonzepte in Laborreaktoren • Optimierung und Numerik Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 4 3 3,5 4 4,5 5 Der Weg von den kinetischen Theorien zur Auslegung eines Reaktors Zerlegung in Einzelbeiträge und deren Analyse Identifikation und Bewertung der wesentlichen Beiträge Auswahl eines vereinfachten Beschreibungsmodells Verwendung komplexerer Modelle, wenn notwendig Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 5 = Arbeitsschritte zur Auswahl und Auslegung eines Reaktors Voruntersuchung • • • • Literaturrecherche Kinetische Modelle Stoffdaten Sicherheitsdaten Simulation und Parameteranpassung • Kinetische Modellierung • Parameter Schätzung • Modelldiskriminierung • Kopplung mit Stoff- und Wärmeübergängen Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 6 Experimente • • • • Orientierende Versuche Versuchsplanung Spezifische Experimente zur Kinetik Experimente zur Kopplung in den Prozess Reaktor Auslegung • Auswahl des passenden Reaktortyps • Auslegung des Reaktors Komplexe Aufgabe Aufgabe – Reaktion wässeriger Formaldehyd-Lösung mit einem Amin • Mehrstufige Reaktion • Die erste Stufe äquimolar • Vermutlich ist die Reaktion schnell Literaturstudie • Formaldehyd-Lösung ist eine komplexe Mischung aus Oligomeren. • Wasser bildet mit Formaldehyd Glykole, Methanol bildet Hemiformale. • Das frei Formaldehyd als Reaktant selbst ist nur in geringen Mengen präsent. • Es gibt Untersuchungen zur Destillation von FA-Lösungen mittels online-NMR. • Auch die Polymerisation von Formaldehyd-Phenol-Harzen wurde mit onlineNMR untersucht. Molanteil des in der Spezies gespeicherten Formaldehyds 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% MG MG2 MG3 MG4 MG5 Glycol-Spezies 25 °C 60 °C 80 °C Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 7 Komplexe Aufgabe – Einfache Lösung Literatur - Kinetik • Die Kinetik der Depolymerisation ist temperatur- und pH-Wert-abhängig. • Im alkalischen Milieu beschleunigt sich die Reaktion um Größenordnungen. • Die Reaktion ist exotherm. Experiment und Auslegung • Adiabatische Kalorimetrie: • Die berechnete und beobachtete Temperaturerhöhung stimmen sehr gut überein. • Die Reaktion ist nach weniger als 1 Sekunde abgeschlossen. • Eine gute Vermischung der beiden Rohstoffe ist hinreichend. • Die freiwerdende Enthalpie muss für die Sicherheit des Prozesses bedacht werden. Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 8 Arbeitsschritte zur Auswahl und Auslegung eines Reaktors Voruntersuchung • • • • Literaturrecherche Kinetische Modelle Stoffdaten Sicherheitsdaten Simulation und Parameteranpassung • Kinetische Modellierung • Parameter Schätzung • Modelldiskriminierung • Kopplung mit Stoff- und Wärmeübergängen Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 9 Experimente • • • • Orientierende Versuche Versuchsplanung Spezifische Experimente zur Kinetik Experimente zur Kopplung in den Prozess Reaktor Auslegung • Auswahl des passenden Reaktortyps • Auslegung des Reaktors Kinetik eines Reaktionsnetzwerkes (1/2) Modellaufbau • Aufbau und Parametrierung eines Reaktionsnetzwerks • Literaturstudie • Versuchsplanung / DoE • Nur 16 Versuche zur Parametrierung Optimierung einer Trennkolonne • Erzeugung einer User-Routine zur Implementierung in Aspen-Plus • Simulation von Stofftrennung und Reaktion • Verbesserung der Produktreinheit durch gezieltes Ausschleusen von Nebenprodukten. Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 10 Kinetik eines Reaktionsnetzwerkes – Verfeinerung der Kinetik Modellverfeinerung durch Auswertung von Kundenversuchen • • • • • Umrechnung der GC-Analysen in Konzentrationen. Vergleich von Simulation und Messwerten. Anpassung der Modellparameter bis zu strukturellen und quantitativen Übereinstimmung. Vorschlag eines neuen Versuchssatzes mit geänderter Probenverteilung. Auswertung und Parameteranpassung Anpassung der Ausschleusungspunkte • Aktualisierung der User-Routine an die aktuelle Aspen-Version • Test in der eigenen Aspen-Umgebung Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 11 Arbeitsschritte zur Auswahl und Auslegung eines Reaktors Voruntersuchung • • • • Literaturrecherche Kinetische Modelle Stoffdaten Sicherheitsdaten Simulation und Parameteranpassung • Kinetische Modellierung • Parameter Schätzung • Modelldiskriminierung • Kopplung mit Stoff- und Wärmeübergängen Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 12 Experimente • • • • Orientierende Versuche Versuchsplanung Spezifische Experimente zur Kinetik Experimente zur Kopplung in den Prozess Reaktor Auslegung • Auswahl des passenden Reaktortyps • Auslegung des Reaktors CO2 Absorptionskinetik Beispiel einer Gas-Flüssig Reaktion Kinetischer Therm zur Implementierung in ASPEN Simulationen • CO2 ist ein in wässeriger Matrix nur schlecht lösliches Gas • Die Absorptionsgeschwindigkeit ist daher nicht sehr hoch. • Die chemische Reaktion ist so schnell, dass sie zu den schnellsten noch messbaren Systemen gehört. • Untersuchung mit Überschussbedingungen des gelösten Reaktanten – Regime „pseudo-erster Ordnung“ Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 13 CO2 Absorptionskinetik Beispiel einer Gas-Flüssig Reaktion Kinetischer Therm zur Implementierung in ASPEN Simulationen • CO2 wird schubweise dosiert. • Die Absorptionsrate ist proportional der Druckreduktion. • Je niedriger der CO2-Partialdruck wird, umso eher ist die Überschusssituation gegeben. • Herausforderung: Partialdruck = Gesamtdruck – Dampfdruck Absorbens • Messung mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit nötig • Exzellente Stoffdaten notwendig Resultat • Auf Basis des Reaktionsgeschwindigkeitsgesetzes lassen sich verschiedene Absorbentien vergleichen. • Verbesserte Systeme lassen sich auf Basis eines Verständnisses von Reaktion und Diffusion entwickeln. • Die Simulation der Absorber lässt sich mit verfeinerten Modellen bewerkstelligen. Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 14 Hydrierung in einem Rieselbettreaktor Absichern der Reaktorperformance • Der Kunde hat einen Prozess mit wenig Know-how über die Reaktionsschritte gekauft. • Identifizierung und Quantifizierung der Einflussgrößen • Eigenes Know-how soll aufgebaut werden Design einer kombinierten Labor- und Pilot-Anlage • • • • Toxisches Material unter Druck Hoch korrosive Medien machen Teflon, Glas und Email notwendig Aufbau im Abzug und Betrieb ohne Betreten des Abzugs Anschließender Transport der Anlage zum Kunden Aufbau und Betrieb der Anlage • • • • Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 15 Temperatur Druck Zusammensetzung Flüssigphase Gaszusammensetzung • • • • Strömungsgeschwindigkeiten Hilfsstoffe Farbe Benetzung Troubleshooting Workshop Indien Aufgabe • Eine Anlage mit zwei Chlorierungsschritten liefert nicht die geplanten Mengen 3 Tage Workshop vor Ort • • • • 2 Personen - 1 x Reaktion und 1 x Betrieb und Engineering Anlageninspektion vor Ort Diskussionen mit Betrieb und R&D Präsentation der Ergebnisse vor dem Management Resultat • To-Do Liste mit über 100 konkreten Maßnahmen • Weitere Zusammenarbeit zur Untersuchung und Auslegung beider Reaktionsschritte • Beteiligung an Diskussionen über zukünftige Entwicklungen Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 16 Was könnte Ihre Aufgabe sein? Laborausstattung und Infrastruktur • • • • • • • Batch- und Konti-Reaktoren in Glas, Edelstahl und Hastelloy Spezialequipment für Gas-Flüssigreaktionen Kreislaufreaktor Typ Berty Standardanalytik GC / HPLC Online-Analytik NIR, MIR, Raman, UV-Vis Abzüge für größere Aufbauten und Module auch unter Ex-Bedingungen Vielfältige Baugruppen zu Dosierung und Heizung / Kühlung Tools und Know-how sind vorhanden Presto Kinetics, Aspen-Plus, CFD… Kopplung mit Kristallisation, Rührtechnik, Destillation ……. Kopplung mit Prozesssicherheit, Destillation, Engineering u.v.a.m. Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Frank Olschewski Senior Consultant PD AE PA EC PRD Industrial Park Hoechst, B598 65926 Frankfurt, Germany Telefon: +49 69 797 84696 E-Mail: [email protected] siemens.com/EC Frei verwendbar / © Siemens AG 2015. Alle Rechte vorbehalten. Seite 18
© Copyright 2025 ExpyDoc
