Bewertung der sicherheitstechnischen Betriebsgrenze von Alkoxylierungsreaktoren
Final Report Abstract
Ziel des dreijährigen Projektes war die Entwicklung und Demonstration einer effizienten simulationsgestützten Methodik zur Bewertung der sicherheitstechnischen Betriebsgrenze von Semi-Batch-Reaktoren am Beispiel des Alkoxylierungsprozesses. Die Methodik sollte insbesondere auch zur Vorhersage betriebsspezifischer Grenzfunktionen geeignet sein. Bisher basiert die Auslegung und sicherheitstechnische Bewertung derartiger Apparate und Prozesse demgegenüber auf experimentell gestützte Einzelbetrachtungen. Die Lösung der Aufgabenstellung lässt sich in die Schritte untergliedern: Entwicklung der Methodik, Definition der Vereinfachungen, Auswahl der Simulationsmodelle, Bestimmung der Simulationsparameter, Durchführung von Simulationsrechnungen, Validierung der Simulationsergebnisse, Demonstration der Methodik und Diskussion der Einsatzgrenzen. Die der Methodik zugrundeliegenden Modelle beinhalten vereinfachende Annahmen, wie z.B. ideal vermischte Gas- und Flüssigkeitsphasen, Reaktorinhalt im thermodynamischen Gleichgewicht bzw. pauschale Einbeziehung des Stofftransportwiderstands (Basis: Trombe oder Tropfenregime / Blasenregime), gleiche Temperaturen im Gesamtsystem (homogene Temperaturverteilung), adiabatisches System und Berücksichtigung der Wärmespeicherung über den Φ−Faktor . Für die zu simulierende Sicherheitsgrenzfunktion hat die Berechnung des Phasengleichgewichtes eine zentrale Bedeutung. Demgemäß wurde dieser Aspekt basierend auf umfangreiche Phasengleichgewichtsmessungen vertieft. Um eine allgemeingültige Vorausberechnung zu ermöglichen, wurden u. a. die Unifac/Modified Unifac-Methode und die PSRK Methode in das entwickelte Simulationsprogramm eingebunden und - soweit notwendig - neue Korrelationsparameter ermittelt.. Der Reaktionsprozess wurde anhand der Formalkinetik abgebildet. Die dafür benötigten Parameter wurden für die betrachten Reaktionssysteme experimentell ermittelt. Um neben den stofflichen Aspekten auch die Design - und Betriebsparameter des Reaktors in die Fallstudien einbeziehen zu können, wurde für die Simulationsebene eine datenbankgestützte Benutzeroberfläche erstellt. Eine Besonderheit des entwickelten Simulationstools ist die automatische Generierung der sicherheitstechnischen Betriebsgrenze in Abhängigkeit des Reaktionsverlaufes. Die Implementierung der PSRK-Methode wurde durch Vergleichsrechnungen mit den kommerziellen Simulationstools Chemcad 5.3 und Aspen Plus2004.1 und die simulierte durchgehende Reaktion für ideal vermischte Systeme anhand experimenteller Untersuchungen validiert. Eine Vergleich mit einem industriellen Prozess bestätigt das entwickelte Simulationsmodell hinsichtlich Abbildung des Normalprozesses. Weitere Validierungsmessungen für andere Betriebsbedingungen und unter Einsatz eines neuen Versuchsstandes konnten im Arbeitszeitraum leider nicht mehr erfolgreich umgesetzt werden. Die Anwendung der Methodik wurde anhand mehrerer Fallstudien erfolgreich demonstriert. Dabei wurden die Einordnung des Normalbetriebs, die Charakterisierung des Wirkungsbereiches der PLT–Schutzeinrichtungen und die Modifizierung von PLT- Schutzeinrichtungen hinsichtlich Erweiterung des Produktionsbereiches verfolgt. Es konnten durch die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse sowohl potentielle Sicherheitslücken als auch Möglichkeiten der Effizienzsteigerung in der Produktion aufgezeigt werden. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist, dass die der Modellierung zugrundeliegenden Annahmen und Modelle teilweise erhebliche Einschränkungen bzw. Unsicherheiten beinhalten. So liefert die dieser Arbeit zugrunde liegende PSRK - Methode bei langkettigen Produkten keine zufriedenstellende Beschreibung des Phasengleichgewichtes. Eine neue für Polymerlösungen modifizierte PSRK - Methode /Wang 2007/ könnte dieses Problem beseitigen. Ein weiterer wichtiger Aspekt betrifft die Annahme, dass sich die Phasen im Störungsfalle homogen verhalten bzw. vollständig vermischt sind. Ob und inwieweit diese Annahme gerechtfertigt ist, dies soll in einem sich anschließenden Forschungsvorhaben geklärt werden. Das entwickelte Reaktor-Störungssimulations-Tool (RSS) steht für die Lehre als auch für den externen Testeinsatz zur Verfügung. Ein Ausbau des RSS-Tools wird – möglichst in Zusammenarbeit mit der Industrie – ebenfalls verfolgt.
Publications
- „Zur Bestimmung der Sicherheitstechnischen Betriebsgrenze von Alkoxylierungsreaktoren, Anwendung der PSRK - Gruppenbeitragszustandsgleichung, Konzeption von Nichtgleichgewichtsuntersuchungen, Konzeption einer Simulationsumgebung“, GVC Arbeitsausschuss “Sicherheitsgerechtes Auslegen von Chemieanlagen”, DECHEMA-Haus, Frankfurt am Main, 2006
M. Süßmuth, S. Degenkolbe, W. Witt
- „Zur Bestimmung der sicherheitstechnischen Betriebsgrenze von Alkoxylierungsreaktoren in Abhängigkeit des Produktionsverlaufs“, Tagung der ProcessNet-Fachgemeinschaft Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik (PAAT), Weimar, 2007
M. Süßmuth, S. Degenkolbe, W. Witt
- „Zur Bestimmung der sicherheitstechnischen Betriebsgrenze von Alkoxylierungsreaktoren, Einfluss des Betriebsablaufes, Konzeption einer Simulationsumgebung, Konzeption von Nicht-Gleichgewichtsuntersuchungen“, GVC Arbeitsausschuss “Sicherheitsgerechtes Auslegen von Chemieanlagen”, DECHEMA- Haus, Frankfurt am Main, 2007
M. Süßmuth, S. Degenkolbe, W. Witt
- “Simulation of Process Related Safety Limit Reactors”, 18th European Symposium on Computer Aided Process Engineering – ESCAPE 18, Lyon, France, 2008
S. Degenkolbe, M. Süßmuth, N. Ramzan, W. Witt
- „Simulation der Betriebsgrenze von Alkoxylierungsreaktoren unter Berücksichtigung der zeitlichen Änderung von Prozessgrößen“, 3. ProcessNet-Jahrestagung, Mannheim, 2009
M. Süßmuth, S. Degenkolbe, W. Witt
- „Zur Bestimmung der sicherheitstechnischen Betriebsgrenze von Alkoxylierungsreaktoren als Funktion des Betriebsablaufes, Stand der Simulationsumgebung, Validierung“, GVC Arbeitsausschuss “Sicherheitsgerechtes Auslegen von Chemieanlagen”, DECHEMA-Haus, Frankfurt am Main, 2009
M. Süßmuth, S. Degenkolbe, W. Witt
- “Simulation of safety related operation limit for alkoxylation reactors under practical constraints”, 13th International Symposium on Loss Prevention, Brugge / Belgium, 2010
M. Süßmuth, S. Degenkolbe, W. Witt
- “Vapor−Liquid Equilibria of Binary Systems of Ethene Oxide + Dodecane, Ethene Oxide + 1-Decanol, and Ethene Oxide + 1-Dodecanol and Prediction with the Predictive Soave−Redlich−Kwong (PSRK) Equation of State”, Journal of Chemical & Engineering Data, 2010
M. Süßmuth, H. Fitzner, S. Degenkolbe, W. Witt
