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Process engineering

University, School

Hochschule Hannover

Grade, Teacher, Year

1.0, Prof. Lüdersen,2015

Author / Copyright
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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

1326305

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



Die Größen a und b sind dabei für jedes Gas charakteristisch, so wie auch die Gaskonstante R. p entspricht dem Druck des realen Gases. T ist die Temperatur. v ist das molare Volumen des realen Gases. 9

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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: 24.04.2015

  • Uhrzeit: 8:00 – 13:30 Uhr

  • Relative Luftfeuchtigkeit: 41%

  • Umgebungstemperatur: 23°C

  • Umgebungsdruck:

          • 1. Messreihe: 1007 mbar (8:00 Uhr)

          • 2. Messreihe: 1021 mbar (10:00 Uhr)

          • 3. Messreihe: 1007 mbar (12:00 Uhr)

        1. Messungen

  • Masse SF6:

      • 1. Messreihe: 1,060 g

      • 2. Messreihe: 0,951 g

      • 3. Messreihe: 0,881 g

  • Druckverlust:

      • 1. Messreihe: nicht gemessen

      • 2. Messreihe: 1,5 bar

      • 3. Messreihe: 0,1 bar

Tabelle 1 Aufgenommene Messwerte der 1.Messreihe

  1. Messreihe

Messung

Kolbenweg [mm]

Überdruck [bar]

Temperatur [°C]

1

46,00

9,8

30,0

2

44,00

10,0

29,9

3

42,00

10,2

30,0

4

40,00

10,9

29,9

5

38,00

11,2

29,9

6

36,00

12,0

30,0

7

34,00

12,5

29,9

8

32,00

13,1

30,0

9

30,00

14,0

30,0

10

28,00

15,0

30,0

11

26,00

15,9

30,0

12

24,00

16,9

29,9

13

22,00

18,0

29,9

14

20,00

19,0

29,9

15

18,00

20,5

29,9

16

16,00

22,0

29,9

17

14,00

23,9

30,0

18

12,00

25,3

30,0

19

10,00

25,5

30,0

20

8,00

25,5

30,0

21

4,00

25,8

30,0

22

3,00

26,0

30,0

23

2,60

26,0

30,0

24

2,55

27,0

30,0

25

2,50

28,5

30,0

26

2,40

31,8

30,0

27

2,20

39,0

30,0

28

2,00

47,0

30,0

Tabelle 2 Aufgenommene Messwerte der 2.Messreihe

  1. Messreihe

Messung

Kolbenweg [mm]

Überdruck [bar]

Temperatur [°C]

1

46,00

10,00

46,5

2

42,00

10,95

46,5

3

38,00

12,00

46,5

4

34,00

13,30

46,5

5

30,00

14,95

46,5

6

26,00

16,95

46,5

7

22,00

19,30

46,5

8

18,00

22,50

46,5

9

14,00

26,90

46,5

10

10,00

32,10

46,5

11

9,00

35,00

46,5

12

8,00

36,50

46,5

13

7,00

37,50

46,5

14

6,80

36,80

46,5

15

6,60

36,90

46,5

16

6,40

36,90

46,5

17

6,20

36,90

46,5

18

6,00

37,10

46,5

19

5,70

37,10

46,5

20

5,50

38,10

46,5

21

5,00

45,00

46,5

22

4,50

57,10

46,5

Tabelle 3 Aufgenommene Messwerte der 3.Messreihe

  1. Messreihe

Messung

Kolbenweg [mm]

Überdruck [bar]

Temperatur [°C]

1

46,00

10,00

55,3

2

42,00

10,90

55,3

3

38,00

12,00

55,3

4

34,00

13,25

55,3

5

30,00

15,00

55,3

6

26,00

17,05

55,3

7

22,00

19,95

55,3

8

18,00

23,33333333

55,3

9

14,00

28,40

55,3

10

10,00

35,25

55,3

11

9,00

37,15

55,3

12

8,00

39,25

55,3

13

7,00

41,25

55,3

14

6,00

43,10

55,3

15

5,00

45,00

55,3

16

4,00

49,25

55,3

17

3,50

56,25

55,3

      1. Auswertung der Messergebnisse

Zunächst wird der gemessene Überdruck in den Absolutdruck umgerechnet. Hierzu gilt:

Hieraus folgt beispielhaft für den ersten Messpunkt der ersten Messreihe:

Als Nächstes wird das Volumen in der Messzelle berechnet. Dieses ergibt sich wie folgt:

Nach Einsetzen des ersten Messwertes der ersten Messreihe stellt sich folgendes Volumen in der Messzelle ein:

Um das molare Volumen berechnen zu können, wird die Molmasse benötigt. Die Molmasse für SF6 lautet:

Nun wird mit Hilfe der Masse und Molmasse von SF6 und dem Volumen in der Messzelle das molare Volumen berechnet:

Hieraus ergibt sich das folgende molare Volumen für den ersten Messwert der ersten Messreihe:

Im Folgenden wird der Druck nach dem idealen Gasgesetz berechnet. Das ideale Gasgesetz lautet:

Demnach ergibt sich für den ersten Messwert der ersten Messreihe dieser ideale Druck:

Als Letztes wird der Druck nach der Van-der-Waals Gleichung bestimmt. Hierzu müssen zunächst die Van-der-Waals-Konstanten ermittelt werden, für die folgende Gleichungen gelten:

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

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Um nun eine Isotherme zu simulieren, werden drei Sensitivity Studies mit den Temperaturen aus der Messung (30°C, 46,5°C und 55,3°C) angelegt, bei welchen der Druck des Kompressors zwischen 10 und 57 bar variiert wird. Die Sensitivity Study ermöglicht es, die Dichte in Abhängigkeit der Druckänderung darzustellen und die Werte mittels Excel auszugeben.

      1. Aufbereiten der Sensitivity Studies

Nach dem Anlegen einer Sensitivity Study ist einzustellen, welche Variable variiert und welche Größen infolge der Variation aufgenommen werden soll. Die beschriebene Vorgehensweise bezieht sich auf die Simulation mit der Temperatur von 55,3°C. Der Druck am Auslass des Kompressors soll zwischen 10 und 57 bar am Kompressor (#1) in 200 Schritten variiert werden.

Es sollen die Zustandsgrößen Dichte (Stream #3) und Temperatur (Stream #3) aufgenommen werden. Die vorgenommenen Einstellungen sind in 9 und 10 dargestellt. Als Rechenmodell wurde die Redlich-Kwong-Soave – Gleichung (SRK) verwendet, welche auf der van-der-Waals-Gleichung beruht.

Abbildung 4‑9 Variierung des Druckes in der Sensitivity Study bei 55,3°C

Aufnahme der Temperatur am Stream 3

Aufnahme der Dichte am Stream 3

Abbildung 4‑10 Einstellungen für die Ausgabe der Dichte und Temperatur über die Sensitivity Study bei 55,3°C

Führt man nun die Simulation durch, so ergibt sich folgender Verlauf der Dichte in Abhängigkeit des Kompressionsdrucks.

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 Aufgabenpun.....

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III-IV (Isotherme Expansion)

Das heiße Arbeitsgas im Zylinder dehnt sich aus und ihr Volumen nimmt zu (Expansion). Die Expansionsarbeit führt dazu, dass mechanische Arbeit auf den Arbeitskolben übertragen wird.16

IV-I (Isochore Abkühlung)

Das verdrängte heiße Arbeitsgas aus dem Heizzylinder kühlt ab. Der Kühlzylinder nimmt dabei die Wärmeenergie des heißen Arbeitsgases auf. Das Volumen des Arbeitsgases bleibt gleich und der Druck sinkt (isochor).17

    1. Modellerstellung in CHEMCAD

Im folgenden Abschnitt wird das in CHEMCAD erstellte Modell dargestellt. Der übersichtshalber wird das Gesamtmodell in 3 dargestellt. Weiterhin wird der Gesamtprozess auf 4 Teilprozesse aufgeteilt und erläutert. Auf die vorgenommenen Einstellungen und Parameter der einzelnen UnitOps wird in der Beschreibung der Teilprozesse eingegangen.

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 vo.....

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Als Abhilfe wird im Anschluss an die Ture ein Überhitzer (#5) gesetzt, welcher das Prozessmedium auf 120°C erwärmt. Die Einstellungen dieser UnitOp ist in 6 dargestellt.

Vorgabe: Temperatur

Abbildung 5‑6 Einstellungen Überhitzer (#5)

Die geforderten Zustandsgrößen sind nun nach Durchlauf der zwei UnitOps erreicht, sodass der Stream #6 dem Zustandspunkt 2 im Stirling-Kreisprozess zugeordnet werden kann.

      1. Prozessschritt 2-3 Isochore Abkühlung

Die zweite Zustandsänderung im Stirling-Kreisprozess ist die isochore Abkühlung des Mediums. Das Teilmodell ist in 7 dargestellt.

Abbildung 5‑7 Modellierung Prozessschritt 2-3 Isochore Abkühlung

Ähnlich wie bei der Herangehensweise an die isotherme Zustandsänderung wird die isochore Abkühlung ebenfalls mit einem Kühler (#3) und einer Ture (#7) realisiert, da sich auch hier keine direkten Einstellmöglichkeiten für eine isochore Zustandsänderung ergeben. Im Teilmodell werden zwei Controllern (#8) (#9) eingesetzt, welche bestimmte Parameter des Kühlers (#3) und der Ture (#7) regeln sollen, damit der Zustandspunkt 3 mit den gewünschten Zustandswerten erreicht wird.

Beide Controller arbeiten mit der Feed-Backward-Einstellung, da sie eine Rückregelung des Kühlers (#3) und der Ture (#7) an den Streams #8 und #9 vornehmen, welche sich nach den beiden UnitOps befinden. Der Controller #9 regelt die Auslasstemperatur am Stream #3 so, dass die Temperatur am Stream #9 die Temperatur 20°C beträgt. Dabei kann die Auslasstemperatur zwischen 20°C und 120°C liegen (vgl. 9).

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 .....

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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 und dabei dasselbe spez.

Volumen wie ZP 1 haben muss. Nach der Kompression (#3) beträgt die Temperatur des Streams #4 64,4°C, wodurch ein Zwischenkühler (#6) angebracht wird, der das Medium auf die gewünschten 20°C kühlt. Auf die Einstellungen der UnitOps wird nun eingegangen.

Druckreglung vom Controller

Auswahl von Modelltyp

Vorgabe: Wirkungsgrad

Abbildung 5‑15 Einstellungen Kompressor (#13)

Der Kompressor läuft ideal mit einem Wirkungsgrad vonund verhält sich adiabat. Controller #14 hat den Ausgangsdruck auf 7,26386 bar geregelt, wodurch das spez. Volumen von ZP 4 gleich dem des ZP 1 ist.

Vorgabe: Temperatur

Abbildung 5‑16 Einstellungen Kühler (#6)

Die Einstellungen des Kühlers werden nicht über einen Controller geregelt, sondern per Hand vorgegeben. Der Stream #7 soll eine Temperatur von 20°C besitzen, weshalb die Auslasstemperatur auf 20°C gesetzt wird.

Abbildung 5‑17 Einstellungen des Controller (#14)

Abbildung 5‑18 Konvergenzkriterium Controller (#14)

      1. Prozessschritt 4-1 Isochore Erwärmung

Die vierte und letzte Zustandsänderung im Stirling-Kreisprozess ist die isochore Erwärmung des Mediums. Das Teilmodell ist in 19 dargestellt.

Abbildung 5‑19 Modellierung Prozessschritt 4-1 Isochore Erwärmung

Analog zum Prozessschritt 2-3 der isochoren Abkühlung wurde der Prozessschritt 4-1 ähnlich aufgebaut. Als UnitOps wurden auch hier wieder ein Zwischenerhitzer (#4) und ein Kompressor (#10) mit 2 Controllern (#11) (#12) eingesetzt. Der Controller #11 regelt den Auslassdruck der Ture so, dass das spez. Volumen bzw. die Dichte gleich dem des Streams #1 ist. Controller #12 hingegen regelt den Zwischenüberhitzer so, dass die Auslasstemperatur dessen auch dem von
Stream #1 entspricht.

Die Einstellungen sind in den folgenden Abbildungen dargestellt. Auf die einzelnen Beschreibungen der Einstellungen wird nicht eingegangen, da sie in Abschnitt 5.2.2 ausre.....

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