Methodik zum integrierten Entwurf von Fluiden und Prozessen mit PC-SAFT
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projekts wurde eine Methodik entwickelt für den integrierten Entwurf von Prozessen und den darin eingesetzten Fluiden nach thermodynamischen sowie thermo-ökonomischen Zielfunktionen. Das Ziel dieser Förderperiode war der integrierte thermo-ökonomische Entwurf von Mischungen. Dabei lag der Schwerpunkt in der Gruppe von Prof. Groß auf der Methodenentwicklung der gruppenbeitragsbasierten Vorhersage von dynamischen Transportgrößen von Mischungen mit PC-SAFT und in der Arbeitsgruppe von Prof. Bardow auf der Methodenentwicklung für den integrierten Entwurf von Mischungen und Prozessen. Im Rahmen des Projektes entstanden neue Methoden für die Vorhersage von Viskositäten von Mischungen, für die Wärmeleitfähigkeit von Mischungen sowie für die Transportdiffusionskoeffizienten in Mischungen. Der Vorhersagefähigkeit liegt eine Gruppenbeitragsmethode zugrunde, wonach Moleküle als verbundene funktionellen Gruppen aufgefasst werden. Alle hier entwickelten Methoden nutzen die PC-SAFT Zustandsgleichung, was für die Anwendung im integrierten Entwurf von Prozessen und Arbeitsfluiden den Vorteil birgt, dass in bestmöglicher Konsistenz, mit nur einem Modell sowohl statische Stoffeigenschaften also auch Transportkoeffizienten von Mischungen vorhergesagt werden können. Die Entropieskalierung, die der Entwicklung der vorgeschlagenen Modelle zugrunde liegt, erweist sich als mächtiges Modellierungskonzept. Basierend auf der in der 1. Förderperiode des Projektes entwickelten Methodik zum integrierten Entwurf von Reinstoffen und Prozessen wurde in dieser Förderperiode eine Methodik zum integrierten Entwurf von Mischungen und Prozessen entwickelt. In dieser Methodik wird ein Modell zum computergestütztem Entwurf von Mischungen mit einem Prozessmodel sowie der PC-SAFT Zustandsgleichung verbunden. Durch Lösen des resultierenden gemischt-ganzzahligen nichtlinearen Optimierungsproblems mit mathematischen Optimierungsalgorithmen kann das optimale Gemisch mit dem dazugehörigen optimalen Prozess gefunden werden. Die Integration der neuen Methoden für die Vorhersage von Transportgrößen von Mischungen ermöglicht dabei die Auslegung der Apparate innerhalb des integrierten Entwurfs und damit die Berücksichtigung der Investitionskosten innerhalb einer thermo-ökonomischen Zielfunktion der Optimierung. Die resultierende Methodik wurde am Beispiel des thermo-ökonomischen Entwurfs eines Organic Rankine Cycles (ORC) entwickelt und ermöglichte die anschließende Untersuchung des thermo-ökonomischen Potentials von optimalen Mischungen für ORCs. Neben der Komplexitätssteigerung auf molekularer Skala mit dem integrierten Entwurf von Mischungen wurde ebenfalls auf der Prozessebene die Komplexität erhöht und der integrierte Entwurf der Anlagenstruktur des Prozesses ermöglicht. Dazu wurde eine Superstruktur des Prozessmodells implementiert, die den Entwurf der Anlagenstruktur anhand von Binärvariablen als Freiheitsgrad der Optimierung erlaubt. Der Entwurf der Anlagenstruktur wurde am Beispiel des ORC untersucht und optionale Apparate für interne Wärmerückgewinnung, Turbinenanzapfung und Zwischenüberhitzung betrachtet. Weitere Erweiterungen ermöglichen den Entwurf für transiente Prozesse, die Integration detaillierter Anlagenmodelle, sowie die Übertragung der Methode auf Absorptionsprozesse. Hierzu wurde die Entwurfsmethodik in kommerzielle Flowsheeting-Software integriert, was die Basis für eine breite Anwendungen legt. Das nun abgeschlossene Projekt lieferte somit zum einen konsistente Vorhersagemodelle für Transportgrößen von Reinstoffen und Mischungen und integrierte diese Modelle zum anderen in Entwurfsmethoden, die gleichzeitig Moleküle, deren Mischungen, Prozesse, Anlagen und deren Verschaltung hinsichtlich thermo-ökonomischer Zielgrößen optimiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018). Integrated design of ORC process and working fluid for transient waste-heat recovery from heavyduty vehicles. In Eden, M.R., Ierapetritou, M.G., Towler, G.T., editors, Proceedings of the 13th International Symposium on Process Systems Engineering (PSE 2018), volume 44 of Computer Aided Chemical Engineering, pages 2443-2448
Schilling, J., Eichler, K., Pischinger, S., and Bardow, A.
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(2018). Self-diffusion coefficients from entropy scaling using the PCP-SAFT equation of state. Industrial & Engineering Chemistry Research, 57, 12942−12950
Hopp, M., Mele, J., and Gross, J.
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(2019). Integrated design of working fluid and organic Rankine cycle utilizing transient exhaust gases of heavy-duty vehicles. Applied Energy, 255, 113207
Schilling, J., Eichler, K., Kölsch, B., Pischinger, S., and Bardow, A.
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(2019). ORC on tour: Integrated design of dynamic ORC processes and working fluids for waste-heat recovery from heavy-duty vehicles. In Kiss, A.A., Zondervan, E., Lakerveld, R., Özkan, L., editors, Proceedings of the 29th European Symposium on Computer-Aided Process Engineering (ESCAPE-29), volume 46 of Computer Aided Chemical Engineering, pages 163-168
Tillmanns, D., Petzschmann, J., Schilling, J., Gertig, C., and Bardow, A.
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(2019). Thermal conductivity from entropy scaling: A group-contribution method. Industrial & Engineering Chemistry Research, 58, 20441−20449
Hopp, M. and Gross, J.
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(2019). Thermal conductivity via entropy scaling: An approach that captures the effect of intramolecular degrees of freedom. Industrial & Engineering Chemistry Research, 58, 18432−18438
Hopp, M., Mele, J., Hellmann, R., and Gross, J.
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(2019). Towards the integrated design of Organic Rankine Cycle power plants: A method for the simultaneous optimization of working fluid, thermodynamic cycle and turbine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 141(11), 111009
Lampe, M., de Servi, C., Schilling, J., Bardow, A., and Colonna, P.
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(2020). Integrating superstructure-based design of molecules, processes and flowsheets. AIChE Journal 66, 5, e16903
Schilling, J., Horend, C., and Bardow, A.
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(2021). Towards optimal mixtures of working fluids: Integrated design of processes and mixtures for Organic Rankine Cycles, Renewable and Sustainable Energy Reviews 135, 110179
Schilling, J., Entrup, M., Hopp M., Gross, J., and Bardow, A.
