Fakultät Maschinenwesen Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik Professur Verfahrensautomatisierung

Simulation und Optimierung

7. Vorlesung

Ergänzungen zur Parametrierung eines A+ Projektes

Grundlagen der Simulation von Destillationsprozessen

Ergebnispräsentation

Ergänzungen zur Parametrierung eines Aspen Plus - Projektes

Definition der stofflichen Komponenten

Für den Fall, dass man den Na-men oder die Formel der Kompo-nente nicht kennt, kann man dieFunktion Find nutzen, um in denDatenbanken zu suchen. Im Bildist das Formular zu sehen, daserscheint, wenn man diese Funk-tion aktiviert.

Es gibt zwei Arten des Suchformulars. Das dargestellte bezieht sich auf dieerweiterte Suche. Hierbei können folgende Suchkriterien vorgegeben werden:

Name or Alias: Hier kann der Nutzer Name, Formel oder Teilevon diesen vorgeben.

Component class: Hier können aus einer Liste bestimmte Grup-pen chemischer Verbindungen (Cykloalkanes,Methylalkanes, ...) ausgewählt werden; damitwird die Suche auf d iese Gruppe ein-geschränkt.

Molecular weight: Hier kann ein Bereich für das Molekulargewichtvorgegeben werden.

Boiling point Hier kann ein Bereich für den Siedepunkt vor-gegeben werden.

Mit einem Klick auf den Schalter Find now wird die Suche eingeleitet. Als Ergeb-nis erhält man eine Liste der Verbindungen, die den vorgegebenen Suchkriteriengenügen. Durch Markieren (Klick mit linker Maustaste) der gewünschten Verbin-dung in dieser Liste und anschließenden Klick auf den Schalter Add selectedcompounds wird die Verbindung in die Liste der das Stoffsystem konstituieren-den Komponenten aufgenommen.

Weiter Schalter im Formular Specifications

Durch die Schalter Elec Wizard und User Defined werden spezielle Expertenaktiviert, die für die Auswahl von Elektrolyten bzw. für die Einbindung nutzer-spezifischer Komponenten benötigt werden.

Über den Schalter Review kann man eine Tabelle der Stoffeigenschaften derausgewählten Komponenten erzeugen.

Wahl der Berechnungsmethoden für die Eigenschaften des Stoffsystems

”Choosing the appropriate property methode is often the key decision in determining the accuracy of your simulation result.”

Das Formular Global

Dieses Formular muss für jedes Simulationsproblem ausgefüllt werden, wobei invielen Fällen nur das Feld Base Method auszufüllen ist. Die anderen Felderbleiben frei bzw. es können die angebotenen Standardvorgaben übernommenwerden. Die Auswahlmöglichkeiten lassen sich durch Festlegung auf einenProzesstyp im Feld Process Type sinnvoll einschränken. Wenn dieses Feldbelegt wird, so werden in der Listbox des Feldes Base Method nur noch dieMethoden angezeigt, die für den gewählten Typ anwendbar sind. Im Feld Pro-perty Method stehen stets alle Berechnungsverfahren zur Auswahl, unabhängigvom gewählten Prozesstyp.Das Feld Henry components ist nur dann auszufüllen, wenn in der GasphaseKomponenten im überkritischen Zustand enthalten sind, deren Lösungsgleich-gewicht mit der flüssigen Phase über das Henry-Gesetz beschrieben werdenkann.Die globalen Festlegungen können für die Blöcke des Fließschemas individuellfestgelegt werden. Auch bei Aufruf eines Analyse-Werkzeuges lässt sich dasBerechnungsverfahren neu einstellen.

Überblick zu den Berechnungsverfahren

Für die Berechnung der Stoffeigenschaften von Stoffsystemen mit mehrerenPhasen sind die Bedingungen im thermodynamischen Gleichgewicht von grund-legender Bedeutung. Insbesondere müssen die Fugazitäten der Stoffe in deneinzelnen Phasen als Funktionen der Zustandsgrößen bestimmt werden, da sichdie Gleichgewichtsbedingungen durch die Fugazitäten ausdrücken lassen. ImFall des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes gilt z.B.:

� Die Zustandsgleichungs-Methode (am Beispiel des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtes dargestellt)

Alle Eigenschaften des Stoffsystems lassen sich bei dieser Methode ausden Zustandsgleichungen herleiten. Hierfür gibt es die Grundgleichungender Thermodynamik der Mischphasen. Die Zustandsgleichungen für Gaseunterscheiden sich bezüglich der Annahmen zur Berücksichtigung der realenGaseigenschaften.

� Die Methode der Aktivitätskoeffizienten

Für die Fugazität der Komponente i in einer idealen Lösung gilt

Die Abweichung des Verhaltens einer realen von dem der idealen Lösungkann man durch Einführung einer Korrekturfunktion berücksichtigen. Mankann diese Funktion auch als ein neues Konzentrationsmaß auffassen, dasals Aktivität bezeichnet wird. Die Korrekturfunktion für die molare Konzen-tration wird dann als Aktivitätskoeffizient bezeichnet. Es gilt:

Die Fugazität in der Gasphase lässt sich aus einer Zustandsgleichung be-stimmen; für die flüssige Phase korrigiert man das ideale Verhalten durch dieEinführung des Aktivitätskoeffizienten. Für die Berechnung der Aktivitäts-koeffizienten gibt es eine Reihe von Berechnungsverfahren, die von unterschied-lichen Voraussetzungen ausgehen.

Die Berechnung der Eigenschaften des Stoffsystems erfolgt bei dieser Metho-de für die Gasphase wiederum über die jeweils gewählte Zustandsgleichung. DieEigenschaften der flüssigen Phase werden aus den Mischungsregeln für reineKomponenten, die durch Mischungs- oder Exzessterme korrigiert werden,berechnet.

ASPEN PLUS stellt eine umfangreiche Bibliothek an Berechnungsverfahren fürEigenschaften der Stoffsysteme bereit, die einer der beiden Methoden folgen.Die einzelnen Berechnungsverfahren unterscheiden sich in

S den zugrundegelegten Zustandsgleichungen, bzw. in der Kombination vonZustandsgleichungen und Berechnungsmodellen für die Aktivitätskoeffizien-ten,

S in den Annahmen über die Phasenstruktur des Stoffsystems, S sowie in Annahmen zum idealen/realen Verhalten der einzelnen Phasen.

Die in den Berechnungsverfahren benötigten Stoffdaten für die reinen Stoffewerden den gewählten Datenbanken entnommen.

Methodenauswahl

Beschreibung ausgewählter Methoden

Es kann an dieser Stelle nur ein kleiner Überblick über die in der ASPEN PLUSBibliothek verfügbaren Methoden für die Eigenschaftsberechnung gegebenwerden. Die Methoden lassen sich in folgende Klassen einteilen:

� Berechnungsverfahren, das ideales Verhalten aller Phasen annimmt

Bezeichner Basis der Berechnungsverfahren für die Eigenschaften

IDEAL Ideale Gaszustandsgleichung, Raoult-Daltonsches-/Henry-Gesetz

� Berechnungsverfahren, die der Methode der Zustandsgleichung folgen:

Bezeichner Zustandsgleichung Anwendungsfelder (Beisp.)

PR-BM Peng-Robinson-Gleichung mitBoston-Mathias á-Funktion

Transport von Gasen undFlüssigkeiten in Rohrleitun-gen;Gasverflüssigung, Luftzer-legung

RKS-BM Redlich-Kwong-Soave-Glei-chung mit Boston-Mathias á-Funktion

PENG-ROB

Peng-Robinson-Gleichung Ammoniak-Synthese, Leichtöldestillation

RK-SOAVE Redlich-Kwong-Soave-Glei-chung

RKSMHV2 Redlich-Kwong-Soave-Glei-chung mit der modifizierten Mi-schungsregel von Huron-Vidal

Absorption saurer Gase mitMethanol

Abrams und Prausnitz, 1975, Universal-Quasichemical-Equation1

� Berechnungsverfahren, die der Methode der Aktivitätskoeffizenten folgen:

Bezeichner Methode fürAktivitäts-koeffizien-ten

Zustandsgleichung für die Gasphase

Anwendungsfelder(Beispiele)

WILSON Wilson-Mo-dell

Ideale Gas-zustandsgleichung

Syntheseprozesse aromati-scher Kohlenwasserstoffe,Reaktionen in der flüssigenPhase (Veresterungsreak-tionen),Trennung von Alkoholen

NRTL NRTL-Mo-dell

UNIQUAC

UNIQUAC-Modell1

UNIQ-RK Redlich-Kwong-Gleichung

ELECNRTL Elektrolyt-NRTL-Mo-dell

Redlich-Kwong-Gleichung

Absorption saurer Gase mitWasser, Ammoniak ..

WILS-HOC Wilson-Mo-dell

Hayden-O’Connell-Gleichung

Syntheseprozess für Kar-bonsäuren (z.B. Essigsäu-resynthese)NRTL-HOC NRTL-Mo-

dell

UNIQ-HOC UNIQUAC-Modell

� Berechnungsverfahren für spezielle Stoffsysteme

Bezeichner Berechnungsmodell Anwendung

SOLIDS Ideales Gas, Raoult-Dal-ton, Aktivitätskoeffizientenfür die feste Phase

Metallurgische Prozesse(Schmelze ..)

CHAO-SEA Chao-Seader-Zustandsmodell

Erdölzerlegung (Raffinerie)

STEAM-TA ASME-Dampftafel Dampfprozesse

Grundlagen der Simulation von Destillationsprozessen

� Bilanzgleichungen für alle Komponenten auf jedem Boden:

Damit ergeben sich n*k Gleichungen.

� Gleichgewichtsbeziehungen:

Damit ergeben sich n*k Beziehungen.

� Wärmebilanzen für jeden Boden:

Damit ergeben sich n Gleichungen.

� Notwendige Bedingungen für die Molanteile:

Damit ergeben sich 2n Gleichungen.

� Bilanzen um die Kolonne:

Damit ergeben sich k Gleichungen.

� Zusätzliche Bedingungen:

Vollständige Kondensation am Kopf der Kolonne:

Dampf- und Flüssigkeitstemperatur auf einem Boden sind gleich:

Anzahl der verfügbaren Gleichungen

Gleichung Anzahl G

Boden-Bilanzen n * k

Gleichgewichts-Beziehungen n * k

Energiebilanzen n

Bedingungen für Molanteile 2 * n

Bilanzen um die Kolonne k

Gesamtzahl 2*n*k + 3*n + k

Anzahl der Unbekannten

Unbekannte Größen Anzahl U

Zusammensetzungen D/F 2 * n * k

Mengenströme D/F 2 * n

Temperaturen n

Sumpf- und Kopfstrom 2

Zusammensetzung Sumpf k

Gesamtzahl 2*n*k + 3*n + k + 2

Bildet man die Differenz U - G, so folgt:

U - G = (2*n*k + 3*n + k + 2) - (2*n*k + 3*n + k) = 2

Es folgt, dass zwei Unbekannte mehr als Gleichungenvorhanden sind! Um das Gleichungssystem lösen zukönnen, müssen zwei Größen vorgegeben werden. ImAllgemeinen wählt man das Rücklaufverhältnis (RR) unddas Verhältnis Destillatstrom / Einlaufstrom (D:F).

Ergebnispräsentation

Verfolgung der Simulationsrechnung

Wird die Simulationsrechnung aus dem MMG heraus auf dem lokalen PC gestartet, ist dieinteraktive Verfolgung wünschenswert. Der Nutzer kann über einen Schalter in derWerkzeugleiste das Kontrollfenster (Control panel) aktivieren:

Interaktive Anzeige der Simulationsergebnisse

In ASPEN PLUS werden die Ergebnisse in gleicher Weise wie die Eingabedaten auchdurch ein System von Ordnern, Seiten und Formularen verwaltet, auf die über denBrowser zugegriffen werden kann.

Im Navigationsfenster des Browser werden die Resultatordner, Resultatseiten undResultatformulare durch andere Symbole als die Input-Objekte dargestellt.

Der Nutzer kann auf unterschiedlichen Wegen Einsicht in die Resultate nehmen. Zu-nächst können für jeden markierten Block über den Menüpunkt Result des Popup-Menüsdie blockspezifischen Ergebnisse angezeigt werden. Im übrigen kann bei aktivemBrowser jederzeit auf die Resultatanzeige umgeschaltet werden.

Erzeugen von Berichten

! Erzeugen der Berichtsdatei

Berichte (Reports) sind Dokumente, die die Simulationsergebnisse in einer definiertaufbereiteten Form darstellen. Der Nutzer kann in einem Bericht die wesentlichen Ergeb-nisse eines Simulationslaufs zusammenfassen. ASPEN PLUS bietet die Möglichkeit,Umfang und Gestaltung der Berichte an die Anforderungen des Nutzers anzupassen.

Bei einem Bericht handelt es sich um ein Textfile (im ASCII-Format), das über die Export-Funktion im File-Menü erzeugt wird.

Beim Erzeugen der Berichtsdatei kann der Nutzer den Namen und das Zielverzeichnisdieser Datei festlegen; die Datei hat die Erweiterung .rep. Bei der Erzeugung der Be-richtsdatei werden die Festlegungen des Nutzers berücksichtigt, die er bei der Generie-rung im Setup vorgenommen hat.

Die Erzeugung einer Berichtsdatei umfasst folgende Schritte:

1. Im File-Menü den Menüpunkt Export wählen.2. Im Export-Formular zunächst im Eingabefeld des Dialogfensters im Feld Filename

Namen und Ziel der Berichtsdatei eintragen. Anschließend im Feld Dateityp aus derangezeigten Pickliste den Typ

Report file (.rep)auswählen.

3. Den Schalter Speichern anklicken. Die Berichtsdatei wird erzeugt.

Es ist zu empfehlen, für den Bericht den Namen des Problems (die RunID) zu verwenden(das wird im Eingabefenster als Empfehlung auch so vorgesehen).

Ein Bericht kann erst erzeugt werden, wenn Simulationsergebnisse vorliegen!

! Anzeige und Modifikation des BerichtesDer Nutzer kann festlegen, welche Form die von ihm erzeugten Berichte haben sollen.Dafür kann er den folgenden Schalter nutzen

Es erscheint das nebenstehende Formular.

Generieren von Diagrammen (Plots)

! Allgemeiner Ablauf Voraussetzung für die Generierung von Diagrammen ist, dass durch die Simulations-rechnungen Tabellen erzeugt werden, die die Definition von abhängigen, unabhängigenund evt. parametrischen Variablen erlauben. Ob das der Fall ist, ist daran zu erkennen,dass im Kopfmenü die folegnden Symbole erscheinen:

Nutzerspezifisches Diagramm Hier kann zu fertigen Diagrammen geblättert werden

Auswahl von fertigen Diagrammen

Die Erzeugung eines Diagramms vollzieht sich stets in folgenden Schritten:- Prüfung der Voraussetzung für die Erzeugung eines Diagramms.- Auswahl einer (oder mehrerer) abhängigen Variablen.- Auswahl einer unabhängigen Variablen.- Anzeige des Diagramms.- Modifikation der Darstellung mit den Diagramm-Gestaltungsfunktionen.

! Auswahl des Diagrammtyps Custom

Es erschein das folgende Auswahlfenster für x-Achse und y-Achse.

Nach der OK-Quittung wird das Diagramm dargestellt.

! Anzeige des Diagramms

! Modifikation der Darstellung

Das Erscheinungsbild des Diagramms kann über Schalter in der Kopfleiste oder über dieMenüpunkte des Popup-Menüs, das über die rechte Maustaste aktiviert wird, modifiziertwerden: