Verfahrenstechnik Simulation

Safety – Reactor thermal runaway

System

Die in diesem Beispiel betrachtete Reaktion wird normalerweise isotherm bei 175 °C und etwa 35 bar durchgeführt. Die Umgebungstemperatur des Kühlwassers im Wärmetauscher beträgt 25 °C. Durch Anpassung der Kühlmittelrate konnte die Reaktortemperatur bei 175 °C gehalten werden. Bei maximaler Kühlmittelrate beträgt die Umgebungstemperatur im gesamten Wärmetauscher 25 °C.

Simulation

Ein Batch-Prozess mit exothermer Reaktion benötigt eine externe Kühlung. Um die Produktionsrate zu erhöhen, ist es wichtig, die gekoppelten dynamischen Effekte von Kühlleistung und Reaktionskinetik zu verstehen. In diesem Beispiel werden Simulationen des Ausfalls des Kühlsystems bei unterschiedlichen Füllständen des Reaktors analysiert.

Ergebnisse

Mit der dynamischen Systemsimulation können wir die Auswirkungen von temporären Kühlungsausfällen beobachten. Bei erhöhtem Anfangsfüllstand und trotz voller Auslastung des Kühlsystems kann die notwendige Wärme nicht aus dem Reaktor abgeführt werden. Hier führt der erhöhte Anfangsfüllstand zum Temperaturdurchbruch und zur Explosion des Reaktors.

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PtX - Optimales thermisches Management eines Methanisierungsprozesses

System

In diesem Beispiel wird ein Kühlsystem für den optimalen dynamischen Betrieb eines Methanisierungsreaktors ausgelegt. Der Reaktor wird mit einem heterogenen 1D-Modell unter Berücksichtigung von detailliertem Wärmeübergang, Reaktionskinetik und Druckabfall modelliert, um die Analyse von Temperatur-Hotspots beim Anfahren und bei Laständerungen zu ermöglichen. Das Modell ist so angepasst, dass es in unserer dynamischen Optimierungssoftware MUSCOD gut funktioniert.

Optimierung

Die ideale Kühltemperatur und der Massenstrom werden im Hinblick auf eine optimale Methanausbeute beim Anfahren des Reaktors sowie bei positiven und negativen Lastwechseln bestimmt.

Ergebnisse

Im Rahmen der Auslegung des Kühlsystems wird die Gleichstromströmung als die günstigste für den betrachteten Reaktor ermittelt. Neben dem optimalen Kühltemperaturprofil für einen sicheren und schnellstmöglichen Durchlauf des Lastprofils zeigen die Optimierungsergebnisse auch Potenziale zur Verkürzung der Anfahrzeit durch Erhöhung des Kühlmittelmassenstroms auf. Die erhöhte Lastflexibilität durch Verkürzung des Anfahrvorgangs kann potenziell die Kosten für die vorgeschaltete Pufferspeicherung von Wasserstoff reduzieren.

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Hochleistungskolonne für die Destillation

Effiziente Parallelisierung von Flash-Berechnungen führt zu einer signifikanten Geschwindigkeitssteigerung auf Multicore-Maschinen. Der Effekt der Parallelisierung wird am Beispiel der Destillation eines 6-Komponenten-Gemisches auf einer 112-stufigen Kolonne demonstriert. Eine stufenweise Änderung der Zusammensetzung des Zulaufs wirkt sich auf die Zusammensetzung des Kopfprodukts aus, wie in der folgenden Grafik dargestellt. Die Destillationskolonne wird mit variierendem Druck und Dampfrückhalt unter Verwendung eines U,V-Flash-Ansatzes modelliert.

Das resultierende System von Differentialgleichungen wird mit modernen Solvern mit variabler Schrittweite gelöst. Multi-Spezies-Multi-Phasen-Fluideigenschaftsberechnungen werden mit Multiflash™ durchgeführt, einem industrieerprobten, fortschrittlichen Thermodynamik-Paket mit sehr effizienten internen numerischen Lösern.

System:

Der Einfluss der Parallelisierung auf die Simulationszeit wird am Beispiel der Destillation eines 6-Komponenten-Gemisches auf einer 112-stufigen Kolonne demonstriert. Die Destillationskolonne wird mit variierendem Druck und Dampfrückhalt über einen U,V-Flash-Ansatz modelliert. Der Druck wird durch den Wärmestrom des Kondensators und der Flüssigkeitsstand durch den Bodenstrom geregelt.

Simulation:

Ausgehend von einer gleichmäßigen Verteilung der Komponenten auf allen Stufen kann das transiente Verhalten des Systems analysiert werden. Zusätzlich wirkt sich eine stufenweise Änderung der Zusammensetzung des Feeds auf die Zusammensetzung des Kopfprodukts aus, wie in der Grafik unten dargestellt.

Das resultierende System von Differentialgleichungen wird mit modernen Solvern mit variabler Schrittweite gelöst. Multi-Spezies-Multi-Phasen-Fluideigenschaftsberechnungen werden von Multiflash™ gehandhabt, einem industrieerprobten, fortschrittlichen Thermodynamikpaket mit sehr effizienten internen numerischen Lösern.

Ergebnis:

Die effiziente Parallelisierung der Flash-Berechnungen führt zu einer signifikanten Geschwindigkeitsverbesserung auf Multicore-Maschinen: Wir erreichen eine 14,6-fache Beschleunigung auf einer 16-Kern-Maschine!

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