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Process engineering

University, School

Hochschule Hannover

Grade, Teacher, Year

1.0, Prof. Lüdersen,2015

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HOCHSCHULE HANNOVER

UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

AND ARTS

-

Fakultät II

Maschinenbau und Bioverfahrenstechnik



Projektarbeit

Simulationsgestützte Auslegung und Planung - Verfahrenstechnik



SS 15

Prozess Engineering und Produktionsmanagement


Betreuer

Prof. Dr.-Ing.

M. Eng.

B. Eng.

Abgabedatum

30.06.2015

Verfasser

Matrikelnummer

Eigenständigkeitserklärung

Erklärung gem. § 21, Abs. 6 der PrüfO

Hiermit versichern wir, dass die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt wurden.

Hannover, den 09.06.2017

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

  1. Einleitung

Das Modul „Simulationsgestützte Auslegung und Planung Verfahrenstechnik“ bietet den Teilnehmern das Erlernen von theoretischen Grundlagen für die verfahrenstechnische Planung unter Anwendung von spezieller Simulationssoftware.

Als Simulationsprogramm wird CHEMCAD des Unternehmens Chemstations verwendet, welches das Erstellen von Fließbildern und deren Simulation inklusive Regelungsvorgängen und grafischer Auswertung der Ergebnisse ermöglicht. Das Unternehmen selbst gehört zu den international führenden Anbietern für Prozesssimulation in der chemischen Verfahrenstechnik.

Zur Vertiefung der Kenntnisse in dem Programm sind 2 Aufgabenteile gestellt worden, mit denen die erlernten Kenntnisse aus der Vorlesung und aus dem Seminar angewendet werden sollen.

  1. Aufgabenstellung

Abbildung 2‑1: Aufgabenstellung Seite 1/3

Abbildung 2‑2: Aufgabenstellung Seite 2/3

Abbildung 2‑3 Aufgabenstellung Seite 3/3

Die Projektaufgabe untergliedert sich in zwei Aufgabenteile. Im 1. Aufgabenteil sollen real gemessene Daten mit den Daten aus der Simulation verglichen werden.

Im 2. Aufgabenteil soll ein Stirling-Kreisprozess in CHEMCAD modelliert werden und die unten beschriebenen Aufgaben bearbeitet werden.

  1. Theoretische Grundlagen

    1. Schwefelhexafluorid

Schwefelhexafluorid ist eine aus den Elementen Schwefel und Fluor bestehende anorganische Verdung. Es hat die Summenformel SF6 und ist unter normalen Bedingungen sowohl geruch- als auch farblos. In Abbildung 1 ist die Strukturformel von Schwefelhexafluorid dargestellt. 1, 2

Abbildung 3‑1 Strukturformel von SF63

SF6 ist ein unbrennbares, ungiftiges Gas, das sich sehr reaktionsträge verhält. Es kann aus den Elementen durch die Umsetzung Schwefel im Fluorgasstrom hergestellt werden. Dabei handelt es sich um eine stark exotherme Reaktion. Schwefelhexafluorid hat eine ca. fünfmal so hohe Dichte wie Luft. Der Schmelzpunkt des Gases liegt bei -50.8 °C. Die molekulare Struktur sieht so aus, dass um das zentrale Schwefelatom die sechs Fluoratome perfekt oktaedrisch angeordnet sind.

SF6 ist sehr reaktionsträge und wird daher z.B. als Isolationsgas in der Hochspannungstechnik verwendet. Zudem wird es als Lösch- und Schutzgas eingesetzt. 4, 5

Das Gas wurde bis zum Jahr 2000 auch als Füllstoff in Autoreifen eingesetzt. Sowohl aufgrund des hohen Preises als auch aus Umweltgründen ist das Reifengas heute meist Stickstoff. Eine Studie der Intergovernmental Panel on Climate Change (Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen) besagt, dass SF6 das wohl stärkste bekannte Treibhausgas sein soll. Schwefelhexafluorid hat ein ca. 23.900-mal größeres Treibhauspotenzial als Kohlenstoffdioxid.

Da das Gas in der Atmosphäre sehr gering konzentriert vorkommt, ist der Einfluss auf den Treibhauseffekt wohl verhältnismäßig gering. Er ist allerdings nicht zu verachten. 6, 7


    1. Van der Waals Gleichung

J. D. van der Waals unternahm 1873 die ersten Versuche zur Aufstellung einer Zustandsgleichung, um das reale Verhalten von Gasen und Flüssigkeiten beschreiben zu können. In die thermische Zustandsgleichung führte er Korrekturglieder zum Druck und zum Volumen ein. Er kam schließlich zur folgenden Beziehung: 8

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Es ist so lange SF6 einzuströmen, bis am Manometer etwa 10 bar angezeigt werden. Wird Ein Druck von etwa 10 bar erreicht, ist das Regulierventil zu schließen. Nachdem das Regulierventil geschlossen ist, wird das Spülventil leicht geöffnet, bis das Manometer wieder fast auf 0 bar abgesunken ist. Abschließend ist das Spülventil wieder zu schließen.

Der Spülvorgang ist mindestens dreimal zu wiederholen.

      1. Hauptversuch

Zunächst wird das Anfangsgewicht der Gasflasche mit der Laborwaage gewogen und die Laborwaage anschließend tariert. Des Weiteren ist die gewünschte Temperatur von 50°C am Thermostat einzustellen. Ist diese Temperatur am digitalen Thermometer abzulesen, wird die MINICAN erneut an den Gasanschlussstutzen angesetzt. Das Regulierventil ist erneut zu öffnen und gleichzeitig die MINICAN an den Gasanschlussstutzen anzupressen.

Sobald das Manometer einen Druck von 10 bar anzeigt, ist das Regulierventil wieder zu schließen.

Nun wird der Kolben mit dem Handrad auf einen Stellwert von 46 mm herausgedreht. Ist dieser Stellwert erreicht, so ist der Druck von 10 bar wieder herzustellen, indem das Regulierventil nochmals geöffnet wird. Hierbei ist wieder darauf zu achten, dass die MINICAN dabei an den Gasanschlussstutzen angepresst wird. Ist der Sollwert von 10 bar wieder erreicht, wird das Regulierventil geschlossen.

Für den nächsten Schritt ist zuerst die Gewichtsdifferenz der MINICAN mithilfe der tarierten Laborwaage zu ermitteln und zu notieren. Zudem ist abzuwarten, bis sich die gewünschte Temperatur von 50 °C am digitalen Thermometer wieder einstellt. Zeigt das digitale Thermometer die Soll-Temperatur an, wird schrittweise das Volumen in der Messzelle verkleinert, indem der Kolben mit dem Handrad wieder eingedreht wird.

Bei jeder Schrittweite ist der Stellwert des Kolbens zu notieren. Der Druck ist erst abzulesen und aufzuschreiben, sofern sich ein Gleichgewicht in der Messzelle eingestellt hat. Die Gleichgewichtseinstellung kann eine Zeit von 1 bis 5 Minuten in Anspruch nehmen. Nachdem die Messdaten aufgenommen sind, erfolgt die nächste schrittweise Volumenverringerung und die erneute Messdatenaufnahme.

Dies erfolgt so lange, bis die Hubkolbenposition von 10 mm erreicht wird. Ab da wird die Schrittweite verringert und der Hubkolben auf ein möglichst kleines Volumen hereingedreht. Auch hierbei ist stets auf ein Gleichgewicht zu warten, um die Messdaten aufzuschreiben.

Im letzten Schritt erfolgt die schrittweise Volumenerhöhung bis zur Kolbenposition von 10 mm. Abschließend wird der Kolben auf seine Ausgangsposition von 46 mm herausgedreht. Bei der Volumenerhöhung ist ebenfalls Kolbenposition und Druck festzuhalten.

    1. Versuchsauswertung

Es folgt nun die Versuchsauswertung mit der Darstellung sowie der Auswertung der Messergebnisse.

      1. Messwerte

Die folgenden Messwerte wurden während der Versuchsreihen aufgenommen

        1. Umgebungsdaten

  • Raum: 1741a

  • Datum: .....

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Für SF6 sind in der Literatur diese kritischen Daten hinterlegt:11

Demnach folgt für a und b:

Für Druck nach der Van-der-Waals Gleichung gilt:

Demnach ergibt sich für den ersten Messwert aus der ersten Messreihe folgender Druck nach der Van-der-Waals Gleichung:

      1. Messergebnisse

Im Folgenden werden die berechneten Messergebnisse vom Volumen und molaren Volumen sowie die verschiedenen ermittelten Drücke tabellarisch dargestellt. Hierbei handelt es sich bei den Drücken um den Absolutdruck, den Druck nach dem idealen Gasgesetz und dem Druck nach der Van-der-Waals Gleichung.

Tabelle 4 Berechnete Messergebnisse der 1.Messreihe

  1. Messreihe

Messung

Volumen [∙10-6 m3]

Molares Volumen [m3/kmol]

Absolutdruck

[bar]

Druck, ideal

[bar]

Druck nach VdW-Gl.

[bar]

1

14,4

1,99

10,8

12,7

11,3

2

13,8

1,90

11,0

13,2

11,7

3

13,2

1,82

11,2

13,9

12,2

4

12,6

1,73

11,9

14,6

12,7

5

11,9

1,64

12,2

15,3

13,3

6

11,3

1,56

13,0

16,2

13,9

7

10,7

1,47

13,5

17,1

14,6

8

10,0

1,38

14,1

18,2

15,3

9

9,4

1,30

15,0

19,4

16,2

10

8,8

1,21

16,0

20,8

17,1

11

8,2

1,12

16,9

22,4

18,1

12

7,5

1,04

17,9

24,3

19,2

13

6,9

0,95

19,0

26,5

20,5

14

6,3

0,87

20,0

29,1

21,9

15

5,7

0,78

21,5

32,4

23,5

16

5,0

0,69

23,0

36,4

25,3

17

4,4

0,61

24,9

41,6

27,2

18

3,8

0,52

26,3

48,5

29,2

19

3,1

0,43

26,5

58,3

31,1

20

2,5

0,35

26,5

72,8

31,9

21

1,3

0,17

26,8

145,6

33,6

22

0,9

0,13

27,0

194,2

136,9

23

0,8

0,11

27,0

224,0

411,0

24

0,8

0,11

28,0

228,4

487,0

25

0,8

0,11

29,5

233,0

583,2

26

0,8

0,10

32,8

242,7

871,6

27

0,7

0,10

40,0

264,8

2692,2

28

0,6

0,09

48,0

291,3

-17031,7

Tabelle 5 Berechnete Messergebnisse der 2.Messreihe

  1. Messreihe

Messung

Volumen [∙10-6 m3]

Molares Volumen [m3/kmol]

Absolutdruck

[bar]

Druck, ideal

[bar]

Druck nach VdW-Gl.

[bar]

1

14,4

1,99

11,0

13,4

12,0

2

13,2

1,82

12,0

14,6

13,0

3

11,9

1,64

13,0

16,2

14,2

4

10,7

1,47

14,3

18,1

15,6

5

9,4

1,30

16,0

20,5

17,3

6

8,2

1,12

18,0

23,6

19,4

7

6,9

0,95

20,3

27,9

22,1

8

5,7

0,78

23,5

34,1

25,5

9

4,4

0,61

27,9

43,9

29,9

10

3,1

0,43

33,1

61,4

35,0

11

2,8

0,39

36,0

68,2

36,2

12

2,5

0,35

37,5

76,8

37,2

13

2,2

0,30

38,5

87,7

37,8

14

2,1

0,29

37,8

90,3

37,9

15

2,1

0,29

37,9

93,1

38,0

16

2,0

0,28

37,9

96,0

38,0

17

1,9

0,27

37,9

99,1

38,0

18

1,9

0,26

38,1

102,4

38,1

19

1,8

0,25

38,1

107,8

38,1

20

1,7

0,24

39,1

105,9

38,2

21

1,6

0,22

46,0

116,5

38,9

22

1,4

0,19

58,1

129,4

41,5

Tabelle 6 Berechnete Messergebnisse der 3.Messreihe

  1. Messreihe

Messung

Volumen [∙10-6 m3]

Molares Volumen [m3/kmol]

Absolutdruck

[bar]

Druck, ideal

[bar]

Druck nach VdW-Gl.

[bar]

1

14,4

1,99

11,0

13,7

12,4

2

13,2

1,82

11,9

15,0

13,4

3

11,9

1,64

13,0

16,6

14,6

4

10,7

1,47

14,3

18,6

16,1

5

9,4

1,30

16,0

21,0

17,9

6

8,2

1,12

18,1

24,3

20,1

7

6,9

0,95

21,0

28,7

22,9

8

5,7

0,78

24,3

35,1

26,5

9

4,4

0,61

29,4

45,1

31,3

10

3,1

0,43

36,3

63,1

37,2

11

2,8

0,39

38,2

70,1

38,7

12

2,5

0,35

40,3

78,9

40,1

13

2,2

0,30

42,3

90,2

41,3

14

1,9

0,26

44,1

105,2

42,3

15

1,6

0,22

46,0

126,2

44,6

16

1,3

0,17

50,3

157,8

58,4

17

1,1

0,15

57,3

180,3

87,6

    1. Ermittlung der Isothermen in CHEMCAD

Wie in der Aufgabenstellung gefordert, folgt nun die Simulation der Isothermen in CHEMCAD.

      1. Modellerstellung

Abbildung 4‑8 Modelle zur Ermittlung der Isothermen bei 30°C, 46,5°C und 55,3°C

In der 8 sind die Modelle dargestellt. Der Stoff SF6 wurde im Komponentenmenü ausgewählt und den 3 Feedströmen mit einem Massenstrom von 1kg/h zugewiesen. Das Medium wird in einem adiabaten Kompressor mit einem Wirkungsgrad vonverdichtet und in einem Überhitzer auf die eingestellte Temperatur gekühlt. Anhand einer Stream-Box kann die Temperatur, der Druck und die Dichte der jeweiligen Ströme überprüft werden.

Das spezifische Volumen lässt sich in CHEMCAD nicht direkt ausgeben, weshalb die Dichte als Kenngröße ausgewählt wurde. Über den Kehrwert der Dichte lässt sich das spezi.....

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Abbildung 4‑11 Verlauf des Dichte in Abhängigkeit des Druckes während der isothermen Kompression bei 55,3°C

Das Diagramm in 11 eignet sich noch nicht für den Vergleich zwischen den Messwerten, da es sich nicht um ein p,V-Diagramm handelt. Um das
p,V-Diagramm zu erstellen, wird aus den Simulationsergebnissen das spezifische Volumen über den Kehrwert der Dichte bestimmt. Die ermittelten Isothermen sind in Abschnitt 4.5 dargestellt.


    1. Darstellung der Messergebnisse


Abbildung 4‑12 Isothermen der gemessenen und berechneten Werte (Ideales Gasgesetz, Van-der-Waals-Gleichung)

Abbildung 4‑13 Isothermen der gemessenen und simulierten Werte in CHEMCAD

  1. Aufgabenteil 2

Es folgen nun die Vorgehensweisen zur Bearbeitung der Aufgabenpunkte des 2. Aufgabenteils.

    1. Beschreibung des physikalischen Modells

Der im frühen 19. Jahrhundert von Robert Stirling erfundene Stirlingmotor gehört zu den sogenannten Wärmekraftmaschinen. Der Bewegungsablauf der Kolben in der Maschine ist nachfolgend dargestellt und veranschaulicht den Stirlingprozess in den vier signifikanten Stufen des Zyklus. 12

Abbildung 5‑1 Schematische Darstellung der einzelnen Zustandsänderungen

Das Prinzip des Stirlingmotors ist mit dem des Otto- und Dieselmotors zu vergleichen. Kaltes Gas wird komprimiert und heißes Gas expandiert. Der Arbeitsgewinn ist bei der Expansion größer als der Arbeitsaufwand bei der Kompression. Somit ist der Motor in der Lage Wärme in Arbeit umzuwandeln. 13



Abbildung 5‑2 Der .....

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Abbildung 5‑3 Gesamtmodell des Stirling-Prozesses

Wie bereits in den theoretischen Grundlagen aus Abschnitt 5.1 beschrieben besteht der Stirling-Kreisprozess aus vier Prozessschritten. Diese finden sich ebenfalls im dargestellten Gesamtmodell in 3 wieder. Eine Stream-Box zeigt die einzelnen Zustandsgrößen der signifikanten Zustandspunkte 1-4 (gekennzeichnet mit ZP1-4). Aus den jeweiligen Zustandsgrößen kann schließlich auf die Zustandsänderungen geschlossen werden.

Auch hier wurde als Referenzkenngröße für das spezifische Volumen, die Dichte ausgewählt. Als konstante Stoffmenge sind 3,42334 kmol/h im Umlauf. In 1 finden sich die laut Aufgabenstellung vorgegebenen Zustandswerte.

Tabelle 5‑1 Zustandstabelle

ZP

T in °C

P in bar

Dichte in kg/m3

1

120

10,25

47,9465

2

120

2

9,0157

3

20

1,4776

9,0157

4

20

7,2639

47,9465

      1. Prozessschritt 1-2 Isotherme Expansion

Die erste Zustandsänderung im Stirling-Prozess ist die isotherme Expansion. Für die Modellierung wurde folgende Anordnung der UnitOps angenommen (4).

Abbildung 5‑4 Modellierung Prozessschritt 1-2 Isotherme Expansion

Der Feedstrom (#1) ist das Prozessmedium SF6, welches mit der vorgegebenen Temperatur von 120°C und einem Druck von 10,25 bar den ersten Zustandspunkt kennzeichnet und in einer Ture (#1) expandiert wird. In der Ture sind folgende Einstellungen vorgenommen worden.

Vorgabe: Wirkungsgrad

Vorgabe: Druck am Ausgang

Auswahl von Modelltyp

Abbildung 5‑5 Einstellungen Ture (#1)

Die Ture arbeitet adiabat mit einem Wirkungsgrad von. Der Druck am Auslass der Ture soll, wie in der Aufgabenstellung gefordert, 2 bar betragen. Wie in 4 zu erkennen beträgt die Temperatur Auslass der Ture (#2) nicht 120°C sondern 71,79°C, wodurch keine isotherme Expansion erfolgt ist. Es lassen sich in den Einstellmöglichkeiten der Ture keine weiteren Einstellungen vornehmen, die Expansion auf isotherm zu stellen.

Als Abhilfe wird im Anschluss an die Ture ein Überhitzer (#5) gesetzt, welcher das Prozessmedium auf 120°C erwärmt. Die Einstellungen dieser Uni.....

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Nach Durchführung der Simulation ergibt sich schließlich die Auslasstemperatur am Stream #3 von 28,0473°C (vgl. 8). Das in 10 dargestellte Konvergenzkriterium wird im Controller #9 vorgegeben.

Temperaturregelung vom Controller

Abbildung 5‑8 Einstellungen Kühler (#2)

Abbildung 5‑9 Einstellungen Controller (#9)

Abbildung 5‑10 Konvergenzkriterium Controller (#9)

Der Auslassdruck der Ture (#7) wird von dem Controller (#8) so geregelt, dass die Dichte des Prozessmediums am Stream #8 (nach der isochoren ZÄ) gleich der Dichte am Stream #6 (vor der isochoren ZÄ) entspricht. Die vorgenommenen (Regler-) Einstellungen sind in 11 bis 13 dargestellt.

Druckregelung vom Controller

Vorgabe: Wirkungsgrad

Abbildung 5‑11 Einstellungen Ture (#7)

Abbildung 5‑12 Einstellungen Controller (#8)

Abbildung 5‑13 Konvergenzkriterium Controller (#8)

Der Zustandspunkt 3 (Stream #10) ist nach den vorgestellten UnitOps erreicht, sodass hier die isochore Zustandsänderung modelliert wird.

      1. Prozessschritt 3-4 Isotherme Kompression

Die dritte Zustandsänderung im Stirling-Kreisprozess ist die isotherme Kompression des Mediums. Das Teilmodell ist in 14 dargestellt.

Abbildung 5‑14 Modellierung Prozessschritt 3-4 Isotherme Kompression

Die isotherme Kompression wird analog zur isothermen Expansion mit Hilfe von 2 UnitOps, einem Kompressor (#3) und einem Zwischenkühler (#6) realisiert. Zusätzlich ist hinter den beiden UnitOps ein Controller (#14) angebracht, welcher den Kompressor so regeln soll, dass Stream #7 dasselbe spez. Volumen bzw. Dichte hat, wie der ZP 1 im Kreisprozess. Stream #7 kann als ZP 4 angesehen werden, welcher im nächsten Prozessschritt isochor erwärmt wird un.....

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