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20.05.2011
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Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Energieeffizienz in der Prozessindustrie: Bedeutung, innovative
Ansätze und praktische Umsetzung als Ergebnis enger
Zusammenarbeit zwischen Industrie und Hochschule
G. Fieg, C. Brandt, P. Ernst, M. Ajmal, Ch. Hiller
M. Leipold, G. Niggemann, Evonik Degussa GmbH
X. Luo, University of Shanghai for Science and Technology, China
TU Hamburg-Harburg, Institut für Prozess- und Anlagentechnik
Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
1. Leitung seit Dez. 2003
2. z.Z. 40 Mitarbeiter darunter13 Doktoranden
3. Spezialisierung:
� Modellierung� Simulation� Energieminimierung
Institut für Prozess- und Anlagentechnik der TUHH
20.05.2011
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Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Produktionsanlage
Prozessmodelierung
Prozesssimulation/Experiment
Prozessführung
Design/Prozessoptimierung
Forschungsphilosophie des Instituts
Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Energieeffiziente TrenntechnikReaktionen mit
trägerfixierten Enzymen
Innovative Verfahren der Wärmerückgewinnung
Anlagendesign mit überlagertem
Optimierungskriterium
Forschungsschwerpunkte:
20.05.2011
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Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Trennwandkolonne: das mathematische Modell
ii1i1-ii VLVL
dt
HUd−−+= +
jii
ji xKy =
1yj
ji =∑
( )ambientilossi, TTkAQ −=
( )Hydraulik ,Stoffwerte phys. Geometrie,f∆p∆ppp ii1-ii =+= ,
( )ulikBodenhydra ,Stoffwerte phys. Geometrie,fUH maxi, =
( ) ( ) ( )=++
dt
Tcmd
dt
Tcmd
dt
hHUdwalli,mpinternalsi,p
liqii
lossi,vapii
liqii
vap1i1i
liq1i1i QhVhLhVhL −−−+= −+−−
C
ABC
A
B
Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
20.05.2011
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Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Trennwand
Bereich II
Bereich I
G. Niggemann, G. Fieg, AIChE Annual Meeting, Salt Lake City, USA
Vergleich Simulation/Experiment
Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Fazit:
1. Das experimentell abgesicherte Simulationstoolstellt die Grundlage für präzises Design von TWK dar
2. Modellbasierte Auslegung von TWK sichert um 30% reduzierten Energiebedarf im Vergleich zu traditionellen Systemen
3. TWK stellt einen innovativen, apparativen Ansatz für Energieminimierung in der Trenntechnik dar
20.05.2011
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Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
C1
H1
H2
C2
Kühlwasser (€!)
Heizdampf (€!)
warme Prozessströme
kalte ProzessströmeWärmeübertrager
Wärmerückgewinnung: Problemstellung
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Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Hohe Wärmerückgewinnung � Vielzahl von Wärmeübertragern � hohe Investitionskosten
niedrige Wärmerückgewinnung � wenige Wärmeübertrager � hohe Energiekosten (Heizdampf & Kühlwasser)
Innovativer Ansatz: Minimierung einer Optimierungsfunktion
Wärmerückgewinnung in der Prozessindustrie
Minimum (Investitionskosten + Energiekosten)
Lösungsmethode: Genetische Algorithmen
Angestrebtes Ergebnis: Simulationstool
Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Ch. Brandt, G. Fieg, X. Luo, Heat&Mass Transfer (eingereicht)
Simulationsergebnis
H1
H2
H3
C1
C2
C3
H4
C4
C5
385°C
319.026 kW
H5
H6
C6
C7
C8
C9
C10
516°C
132°C
91°C
217°C
649°C
385°C
471°C
521°C
418,6°C
234°C
266°C
149°C
163,4°C
649°C
221,3°C
30°C
99°C
437°C
78°C
217°C
256°C
49°C
59°C
163°C
219°C
234,9°C
494,4°C 333,7°C
302,7°C
308,6°C
413°C
312,9°C 309,1°C 43°C
159°C
82°C
60°C
43°C
43°C154,7°C265,6°C
626,4°C
505,5°C
25.903 kW
42.281 kW
71.071 kW
54.643 kW
22.061 kW
44.473 kW
27.530 kW
19.739 kW
4.594 kW
12.858 kW
9.982 kW
18.926 kW
18.276 kW
32.402 kW
12.965 kW
2.173 kW
5.841 kW
H1
H2
H3
C1
C2
C3
H4
C4
C5
385°C
319.026 kW
H5
H6
C6
C7
C8
C9
C10
516°C
132°C
91°C
217°C
649°C
385°C
471°C
521°C
418,6°C
234°C
266°C
149°C
163,4°C
649°C
221,3°C
30°C
99°C
437°C
78°C
217°C
256°C
49°C
59°C
163°C
219°C
234,9°C
494,4°C 333,7°C
302,7°C
308,6°C
413°C
312,9°C 309,1°C 43°C
159°C
82°C
60°C
43°C
43°C154,7°C265,6°C
626,4°C
505,5°C
25.903 kW
42.281 kW
71.071 kW
54.643 kW
22.061 kW
44.473 kW
27.530 kW
19.739 kW
4.594 kW
12.858 kW
9.982 kW
18.926 kW
18.276 kW
32.402 kW
12.965 kW
2.173 kW
5.841 kW
31% niedrigere Kosten verglichen mit der Anlage
8.8 Mio. $/a � Anlage
6.1 Mio. $/a � Sim.
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Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Fazit:
1. Innovativer Optimierungsansatz berücksichtigt Ökologie und Ökonomie
2. Entwicklung eines Simulationstools in Zusammenarbeit mit unserem Kooperationspartner eröffnet neue Absatzmärkte in der Prozessindustrie und schont die Umwelt
Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Katalysator: Candida Antarctica Lipase B (Novozym® 435)
Ölsäure + Decanol → Decyloleat + WasserEnzym
Rührkessel /Flashkammer Pumpe Festbettreaktor
Vakuumanlage
Kreislaufreaktor mit trägerfixierten Enzymen
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Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Temperaturniveau für die Reaktion:
� enzymatisch katalysiert: 60°C
� chemisch katalysiert: 240°C
Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
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Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
in,iin w,m&
iin,i M,J
out,iout w,m&
iout,i M,J
dz
i2i
2
axi
Li
z
wD
z
ww
t
wψ+
∂
∂+
∂
∂−=
∂
∂ε
Axiales Dispersionsmodell
Mathematisches Modell für Festbettreaktor
Reaktion 1. Ordnung ���� r = k·w
Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
reactor input
reactor output
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
00:00:00 01:00:00 02:00:00 03:00:00 04:00:00
time [hh:mm:ss]
mas
s fr
actio
n a
cid
[g/g
]
Zeit
Mas
sen
ante
il S
äure
Reaktorzulauf
Reaktorablauf
Prozessparameter:mDecanol = 497,2 gmÖlsäure = 890,6 g
xÖlsäure = 0,5009 g/gwÖlsäure = 0,6417 g/g
uLeerrohr = 10,36 mm/sTReaktor = 50 °CpVakuum = 60 mbar
Ölsäure + Decanol → Decyloleat + Wasser
oleic acid
decanol
decyl oleate
water0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
00:00:00 01:00:00 02:00:00 03:00:00 04:00:00
time [hh:mm:ss]
ma
ss
frac
tion
ac
id [g
/g]
Zeit
Mas
sen
ante
il
Wasser Decanol
Ölsäure
Decyloleat
M. Leipold, G. Fieg, Chem-Ing.-Technik, 3(83), 2011, S.340
Rührkessel /Flashkammer Pumpe Festbettreaktor
Vakuumanlage
Sim.Exp.
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Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Fazit:
1. Geschickte Katalysatorwahl verringert das Temperaturniveau für die Reaktion und reduziert den Energiebedarf
2. Durch höhere Selektivität der Reaktion entfällt die energieintensive Aufarbeitungdes Reaktionsgemisches
3. Enzymkatalysierte Reaktionen stellen –energetisch betrachtet- einen hochinteressanten Ansatz für die Prozessindustrie dar
Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Zusammenfassung
I/ Es wurden drei Ansätze für die Erhöhung der Energieeffizienz in der Prozessindustrie vorgestellt:
� Innovative, apparative Idee im Bereich der Trenntechnik
� Geschickte Katalysatorwahl für die Reaktionsdurchführung
� Effektive Wärmerückgewinnung an Produktionsanlagen
II/ Enge Zusammenarbeit mit unseren Kooperationspartnern ist sehr wichtig,da dadurch eine unmittelbare Kopplung zwischen Theorie und Praxis mit Fokus auf Anwendung und Energieeffizienz in der Prozessindustrie entsteht
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Hanse-Tagung „Energieeffizienz und Klimaschutz rund um das Mare Balticum“, Hamburg, 11.5 – 13.05.2011
Danksagung an:
• Cetec Destillationstechnik GmbH• Cognis GmbH, • Encos GmbH• Ing.-Büro Dr. Schoop• Julius Montz GmbH, Hilden • Sasol Germany GmbH, Brunnsbüttel• XRG Simulation GmbH• BASF
• Max-Buchner-Stiftung (MBFSt-Kennziffer: 2808)• Stadt Hamburg, Promotionsstipendium• AiF (KF2267704RR0, KF 0648401SS8, IGF-Nr. 14996, KF 2267702OH9)• Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission (No. 07ZZ89)
Doktoranden
• Herren: Ajmal, Brandt, Ehlers, Ernst, Gruetzmann, Hiller, Niggemann• Damen: Buck, Kleeberg, Vargas
Unzählige Studienarbeiter, Diplomanden, HiWi‘s
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