Evaluierung von Simulationswerkzeugen und Simulationsmodellen zur Begleitung in der Lehre zur Thermischen Verfahrenstechnik

Abstract

In dieser Diplomarbeit wurden die Grundoperationen in Prozess-Simulations-Programmen näher betrachtet. Dabei stand besonders die Nutzung der Prozess Simulation in der Lehre durch Begleitung einer Laborübung mit Anwendungen in der Theorie und Praxis im Fokus.Dies wurde in den zwei unterschiedlichen Simulationswerkzeuge Aspen Plus und gPROMS sowie dem Kolonnen-Simulator ChemSep durchgeführt.Zuerst wurde die Verwendung der Grundoperationen in der Lehre genauer betrachtet, dabei wurde besonders auf die Grundlagen der Prozess Simulation und den mathematischen und thermophysikalischen Hintergrund der Destillationsverfahren eingegangen. Dann wurden die integrierten Grundoperationen der drei Programme bewertet, miteinander verglichen und deren Möglichkeiten im Hinblick auf VLE- und Feststoff-Berechnungen beurteilt. Dabei wurde vor allem betrachtet, wie man die Unit Operations im Zuge einer Laborübung nutzen kann. Die Modelle der Destillationskolonnen und Flash-Einheit wurden ausgewählt, um die Simulationsergebnisse der Programme miteinander zu vergleichen. Um zu sehen, wie repräsentativ die Grundoperationen im Vergleich mit realen Systemen sind, wurde anhand der Ergebnisse der VT1-Laborübung Rektifikation ein Kolonnenmodell mit Ethanol-2-Butanol als Eingangsstoff simuliert und mit den experimentellen Werten der Übung verglichen. Das Modell wurde dann durch Simulationen mit vier unterschiedlichen Prozessparametern validiert, um dessen Aussagekraft zu beurteilen.

In this diploma thesis, the basic unit operations in process simulation programs were examined. The focus was particularly on the use of process simulation in teaching by accompanying a laboratory exercise with applications in theory and practice.This was carried out in the two different simulation tools Aspen Plus and gPROMS as well as the column simulator ChemSep.First, the use of unit operations in teaching was examined more closely, with particular attention being paid to the basics of process simulation and the mathematical and thermophysical background of the distillation process.Then the integrated basic operations of the three programs were evaluated and compared with each other concerning their abilities with regard to VLE and solid matter calculations. The main focus was on how unit operations can be used supporting exercise.The models of the distillation columns and flash unit were chosen to compare the simulation results of the programs with each other. In order to see how representative the unit operations are in comparison with real systems, a column model with ethanol-2-butanol as the input material was simulated based on the results of the VT1 laboratory exercise rectification and compared with the experimental values of the exercise. The model was then validated through simulations with four different process parameters to assess its validity.