Development of thermal separation units and a tutorial for flowsheeting applications in gPROMS

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Destillations-Kolonnenmodells zur Trennung von binären Gemischen in gPROMS. gPROMS ist eine gleichungsorientierte Modellierungs- und Simulationssoftware, in der die Modellierungsebene mit der Flowsheeting- Umgebung verknüpft ist. gPROMS ist sowohl für stationäre, als auch für dynamische Simulationen einsetzbar. Das Modell wurde aufgrund der flexiblen Programmstruktur und seiner Fähigkeit zur Durchführung von Fließschema-simulationen in gPROMS implementiert. Um die Anfangsprozessbedingungen für ein gegebenes Trennungsproblem ermitteln zu können, wurde ein Short-Cut Kolonnen-Modell entwickelt. Das WUG-Modell basiert auf den Korrelationen von Winn, Underwood und Gilliland. Die Ergebnisse aus den Short-Cut Berechnungen dienen als Anfangswerte für das Kolonnenmodell. Das stationäre Kolonnenmodell basiert auf Massen- und Energiebilanzen. Das n-stufige Gleichgewichtsmodell beinhaltet einen Kondensator (vollständige Verflüssigung), einen Stromteiler und einen Reboiler. Die Stoffdaten (z.B. Enthalpien, Aktivitäten) für die Gleichgewichtsberechnungen in jeder Stufe werden dabei aus Multiflash abgerufen. Durch das Spezifizieren des Stufenwirkungsgrades (Murphree Efficiency) können Abweichungen vom Gleichgewichtszustand mitberücksichtigt werden. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit einen Druckverlust zu definieren. Da die Bilanzen und Gleichgewichtsbedingungen zusammenhängende, nicht-lineare Matrizen bilden, ist die herausfordernde Aufgabe bei der Modellierung von solchen Prozessen, die Lösung der komplexen Gleichungssysteme. Um diese numerische Herausforderung zu bewältigen, wurde eine Initialisierungsstrategie entwickelt, die sowohl für die Stabilität, als auch für die Flexibilität für benutzerdefinierte Eingaben sorgen soll. Für die Validierung der Modelle wurden zwei binäre Gemische, Wasser/Methanol und Wasser/Ethanol, untersucht. Dafür wurden die entwickelten Modelle in einer Fließschema-Simulation angewendet und die Ergebnisse mit Literaturdaten verglichen. Es zeigt sich, dass sowohl die Stoffdaten von Multiflash, als auch die Ergebnisse beider Modelle, WUG und Kolonnenmodell, gut mit den Literaturdaten übereinstimmen. Zusätzlich wurde ein Tutorial für gPROMS entwickelt. Dies soll als Einstiegshilfe für AnfängerInnen dienen und das Basiswissen zum Programmieren von einfachen Grundoperationen für Flowsheeting-Anwendungen in der gPROMS Umgebung vermitteln.

The target of this work is the development of a distillation column model for the separation of binary mixtures in gPROMS. gPROMS is an equation-oriented modelling and simulation software. It combines modelling capabilities with a process flowsheeting environment and is applicable for both steady-state and dynamic simulations. The model was implemented in gPROMS due to its flexibility regarding the programming structure and its capability to perform flowsheeting simulations. To determine the initial operating conditions for a given separation problem, a shortcut distillation model was developed. The WUG-model is based on the Winn-Underwood-Gilliland shortcut correlations. The results obtained from this model serve as initial values for the precise column model. The steady state column model is based on mass and energy balances. It is designed as an n-equilibrium stage model including a total condenser, a splitter and a reboiler. For the calculation of the equilibrium state in each stage, the thermodynamic properties (e.g. enthalpies, activities) of Multiflash are used. For the consideration of the deviation from the equilibrium state, the Murphree efficiency can be defined. Additionally, there is the opportunity to specify a column pressure drop. The challenging part in modelling such processes is the complex system of equations, since the balances and equilibrium conditions form coupled non-linear matrices. For handling this numerical challenge, an initialisation procedure with regard to both, model robustness and flexibility in user defined specifications, was implemented. For the validation of the models two binary systems, water/methanol and water/ethanol, were investigated. The developed models are used in flowsheet simulations and the simulation results are validated and cross-referenced with literature data. The data obtained by Multiflash and both the WUG and the column model show satisfactory correspondence with literature data. Additionally, a tutorial for gPROMS was developed. This should help beginners to get started and to gain basic knowledge about programming simple unit operations for flowsheeting applications within the gPROMS environment.