Gesamtheitliche Prozessoptimierung zur Reduktion von Abgasemissionen bei der Produktion von Polymercompounds

Abstract

Bei der Herstellung von Polymercompounds fallen abgasseitig kurzkettige Kondensationsprodukte an, die emissionsrelevant sind und eine Abgasreinigung erfordern. Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist die Evaluierung eines bestehenden Abgasreinigungssystems und dessen bestmögliche Optimierung unter Maßgabe der gestellten Behördenanforderung. Dazu ist eine gesamtheitliche Betrachtung der Polymercompoundierung durchzuführen. Das zu betrachtende System besteht aus einem Vakuumsystem, einem Vorwäscher und einem Membranprozess, auf dem der Fokus dieser Arbeit liegt. Durch eine bilanzielle Erfassung der potentiellen Quellen- und Senkentermen konnten die Startwerte der Simulation im AspenPlus-Modell vorgegeben werden. Zur Beschreibung der Stoffeigenschaften der siliciumorganischen (SiC) Verbindungen wurden binäre Gemischparameter im Modell implementiert. Die Polymermembran des Dampfpermeationsprozesses wurde durch den Block -SEP2-, unter Vorgabe der Splitfaktoren der Abgasbestandteile, abgebildet. Die Kalibrierung der Membran erfolgte durch Literaturwerte und Betriebsmessungen. Mit Hilfe des erfolgreich validierten Modells wurden Optimierungsansätze, die zu einer Reduzierung der emissionsrelevanten, SiC-Verbindungen führen können, erarbeitet. Die Ist-Systemanalyse zeigt, dass mit Hilfe des bestehenden Systems bereits 84 % der SiC-Emissionen reduziert werden können. Der Membrantrennschritt mit angeschlossener Kondensation der SiC-Komponenten hat daran jedoch nur einen Anteil von 9 %. Das Gesamtpotential der theoretischen Optimierungsmaßnahmen von 54 %, muss in weiter gehenden Arbeiten durch Betriebsmessungen validiert werden. Durch eine Rückführung des Retentates zum Compoundierungsprozess können die Gesamtemissionen reduziert werden. Die Ist-Emission kann durch diese Optimierungsmaßnahme um 17 % reduziert werden. Durch die Luftleckagemengenopti-mierung in der Polymercompoundierung, kann der gesamte Retentatvolumenstrom rückgeführt und die SiC-Emissionen um weitere 21 % reduziert werden. Zur Verbesserung der Membranprozess-Bedingungen wurde zur Verhinderung von Taupunktsunterschreitungen im Feed der Membran ein Wärmetauscher zur Kühlung des Waschwassers der Waschkolonne eingebaut. Durch eine Reduzierung der Temperatur im Kondensatbehälter des Membranprozesses konnten die Emissionen um weitere 16 % reduziert werden. Abschließend wurde das Membranverfahren mit potentiellen Alternativtechnologien nach dem Stand der Technik verglichen. Dies erfolgte durch eine Gegenüberstellung der spezifischen Betriebskosten.

In terms of polymer compounds production, the formulation of short-chained exhaust gas components cannot be prohibited, requiring a gas purification treatment. The master thesis at hand was written with the purpose to evaluate and optimize an existing purification system within the boundary conditions of the predefined regulatory requirement. Therefore, an integrated stock-taking of the inspected procedure had to be done beforehand. The regarded system consists of a vacuum system, a pre-scrubber and a membrane process. This thesis emphasizes on the latter. The starting values of the simulation were attained with a balance sheet of the possible source and sink terms. The specification of the silicon-organic compounds (SiC) physical properties in the AspenPlus model was implemented through binary mixing parameters. The polymeric membrane of the steam-permeation-process is illustrated by the bloc -SEP2- and has been created according to the splitting factors of components in the exhaust gas. The membrane was calibrated with the help of measurements in the plant and reference values from literature. The successfully validated model was able to elaborate optimization approaches, which could be useful for the reduction of significant SiC-compounds. The analysis of the current system indicated that the existing system is able to reduce the SiC-emission by 84 %. The share of the membrane separation step with the subsequent condensation merely adds up to 9 %. The overall potential of the optimization measures of 54 % has to be validated in subsequent measurements. The total emission level can be reduced by recirculating retentate to the compounding process. As a result, the emission can be lowered by 17 %. The optimization of the air leakage during the production of polymer com-pounds enables the recycling of the retentate volume flow and leads to a decrease of SiC-emission by another 21 %. In order to optimize the conditions of the process-membrane, a heat exchanger has been installed, which cools the scrubbing water within the scrubbing column and therefore prevents the feed of the membrane from falling below the dew point. An additional reduction of 16 % has been reached by lowering the temperature of the condensate level during the membrane process. Finally, the membrane process has been compared with possible state-of-the-art alternatives through the analysis of the respective operating costs.