Batch-Destillationsprozesse optimal fahren

Infraserv Knapsack untersucht Optimierungspotenzial

Prozesse in Batch-Betrieben sind in der Regel hochdynamisch und die starken Zustandsänderungen während einer Charge erfordern in der Prozessführung ein höheres Maß an Flexibilisierung als bei kontinuierlichen Prozessen. Zur Erreichung der gewünschten Produktmengen mit gewünschten Reinheiten einzelner Fraktionen, werden in der Industrie zumeist vereinfachte Prozessführungsstrategien mit möglichst wenigen Änderungen bei den Prozessführungsgrößen gefahren.

Für die konsequente Verfolgung eines Optimierungsziels wie Maximierung der Produktausbeute (bei einer Oberschranke bzgl. der Batch-Zeit und/oder Unterschranke bzgl. der Reinheit), Minimierung der Batch-Zeit (bei Unterschranke der Produktausbeute und Reinheit) oder Minimierung des Energieverbrauchs bezogen auf die Produktmenge sind jedoch stark frequentierte Änderungen der Prozessführungsgrößen während einer Charge erforderlich.

Optimierungspotential

Im akademischen Bereich wurden dafür viele Methodiken entwickelt, die vor allem auf der Verknüpfung von Prozessmodellen mit leistungsfähigen Algorithmen für die numerische Optimierung basieren. Der Fokus liegt dabei auf der numerischen Ermittlung zeitlich fixierter Trajektorien von Steuerparametern wie z.B. Rücklaufverhältnis und Verdampferleistung. Obwohl dadurch eine Annäherung an das Optimierungsziel erreicht wird, finden diese Methodiken in der industriellen Praxis nur selten Verwendung.

Die Gründe liegen oftmals in den Unsicherheiten über das tatsächliche Optimierungspotenzial und im erhöhten Aufwand beim Betriebspersonal. In der Spezialchemie kommen große Unterschiede zwischen theoretischem Modell und realem Prozess noch hinzu, was die Unsicherheit für einen erfolgreichen 1:1-Transfer von theoretischen Optimierungsergebnissen zur realen Prozessführung noch verstärkt.

Infraserv Knapsack KG (ISK) setzt daher den Schwerpunkt auf mögliche Wege zur Umsetzung theoretischer Optimierungsergebnisse auf den realen Betrieb. Anfänglich sind allgemeingültige Voruntersuchungen zur überschlägigen Ermittlung des Optimierungspotenzials erforderlich, wo generelle Tendenzen bzgl. Verbesserungen bei frequentierter Variation von Rücklaufverhältnis und Verdampferleistung herausgestellt werden.



Anschließend erfolgen die Untersuchungen zusätzlicher Verbesserungsmöglichkeiten bei Variation des Kolonnendrucks. Für diese Schritte verwendet ISK allgemeingültige Short-Cut-Wege, die auf den Einzelfall übertragen werden.

Praxisorientierte Fahrschemata

Der nächste Schritt beinhaltet die Ermittlung theoretisch optimaler Trajektorien von Prozessführungsparametern und die Herausstellung der wichtigsten Merkmale. Die eigentliche Herausforderung besteht jedoch in der Umwandlung theoretischer Ergebnisse in für das Betriebspersonal leicht verwendbare Fahrschemata.

Erste Priorität ist dabei eine möglichst robuste Prozessführung, die vor allem die Produktreinheiten am Ende der Charge gewährleistet. Vor allem die Unsicherheiten in der Dynamik des Prozessmodells erfordern praxisorientierte Schemata, die nicht an fixierte Zeitvorgaben gebunden sind. Besonders anwenderfreundlich ist die Verwendung von Zustandsgrößen, die leicht messbar und nur wenig von Modellunsicherheiten beeinflusst sind (wie z.B. gemessene Temperaturprofile), als Umschaltkriterien.


Detaillierte Informationen gibt die Präsentation „Approaches to optimal operation schemes of batch distillation processes in chemical industry" während der Achema 2012 am Dienstag, 19. Juni, 11:00 Uhr, im Kongresszentrum Messe Frankfurt, Raum Harmonie 4, CMF.

 

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