Anfahren von Reaktivrektifikationsprozessen in Kolonnen mit unterschiedlichen Einbauten
Forner, Florian
Im Rahmen dieser Arbeit wurden durch Simulationsstudien und Optimierungsrechnungen Anfahrstrategien für unterschiedliche Reaktivrektifikationsprozesse (RD-Prozesse) entwickelt, mit denen sich die benötigte Zeit und somit die Kosten zum Anfahren einer Anlage reduzieren lassen. Erstmalig wurde der Anfahrvorgang von RD-Prozessen in Kolonnen mit unterschiedlichen Einbauten, unterschiedlichen Katalyseformen und unter Berücksichtigung eines Dekanters untersucht. Diese Arbeit leistet somit einen wichtigen Beitrag zu einem erhöhten Prozessverständnis der RD, gerade auch bezüglich der dynamischen Vorgänge. In einem ersten Schritt wurde aufbauend auf dem aktuellen Stand der Forschung ein dynamisches Simulationsmodell entwickelt, welches das Anfahren eines großen Spektrums an RD-Prozessen ausgehend vom kalten und leeren Zustand beschreibt. Die notwendigen Ansätze zur Beschreibung der Hydrodynamik unterschiedlicher Einbauten und verschiedener Katalyseformen sowie zur Beschreibung der Dreiphasigkeit wurden in das Modell implementiert. Das Simulationsmodell wurde anhand von dynamischen Daten aus eigenen experimentellen Untersuchungen an zwei Reaktivrektifikationskolonnen im Labormaßstab validiert. Das Anfahrverhalten von RD-Prozessen wurde anhand von drei Simulationsstudien untersucht: Die Veresterung von Essigsäure und Methanol zur Herstellung von Methylacetat in Boden- und Packungskolonnen (homogen und heterogen katalysiert), die dreiphasige Veresterung von Essigsäure und Propanol in einer Füllkörperkolonne mit Dekanter (homogen katalysiert) und die Veretherung von Methylbuten mit Methanol zur Produktion von TAME in einer katalytischen Packungskolonne betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass sich Anfahrstrategien für reaktive Bodenkolonnen nicht direkt auf reaktive Packungskolonnen übertragen lassen. Eine Betrachtung unter Berücksichtigung der jeweiligen Einbauten ist somit zur Entwicklung von Anfahrstrategien erforderlich. Anhand der dreiphasigen Propylacetatsynthese wurde der Einfluss einer Vorlage von Produkt im Kolonnensumpf und im Dekanter gezeigt. Mehr als 50% der Anfahrzeit ließ sich durch geeignete Einstellung der Vorlagenzusammensetzung einsparen. Anhand der TAME-Synthese wurde die Bedeutung der Wahl der Anfahrstrategie bei Existenz mehrfacher stationärer Zustände gezeigt. Durch Umschalten der Heizleistung während des Anfahrvorgangs kann in reduzierter Zeit der gewünschte Arbeitspunkt mit höherer Produktreinheit und höherem Umsatz angefahren werden. Auf Grundlage der Simulationsstudien wurde unter Verwendung der aufgezeigten entscheidenden Parameter eine mathematische Optimierung des Anfahrvorgangs am Beispiel des Methylacetatprozesses durchgeführt. Durch Berücksichtigung des gesamten Anfahrvorgangs ist neben der Bestimmung von Stellgrößentrajektorien auch die Optimierung der Vorlagezusammensetzung möglich. Einsparungen von über 50 % können erzielt werden.
Startup strategies which permit reducing time and thus the costs of column startup are developed for different reactive distillation (RD) processes through simulation and optimisation. For the first time the startup behaviour of RD processes with different column internals, different catalysis and including a decanter have been investigated. The present work is therefore an important contribution for the understanding of reactive distillation dynamics. A dynamic simulation model for the startup of RD processes from a cold and empty state of the equipment is developed based on a dynamic equilibrium stage model including hydrodynamic correlations for random and structured packing and trays as well as different reaction kinetic models and the description of liquid-liquid equilibrium. The model is successfully validated with own dynamic data from experimental investigations on two lab-scale RD columns. The startup of reactive distillation is studied exemplarily in three case studies: the esterification for methyl acetate in packed and tray columns (homogeneously and heterogeneously catalysed), the three-phase esterification for propyl acetate in a randomly packed column with a decanter and the etherification for TAME in a catalytic packed column. It is shown that startup strategies for tray columns cannot be applied directly to packed columns so that the consideration of the column internals is crucial for the development of startup strategies due to their influence on the hydrodynamics. Startup time for the methyl acetate synthesis in a tray column can be reduced by 30% by initially charging light boiling product on the column trays, for the packed column on the other hand startup of an empty column with stoichiometric feed leads to the shortest startup time. The study of the propyl acetate process shows the large influence of the initial charge of product to the column bottom or to the decanter on the startup time resulting in a reduction of more than 50%. The TAME synthesis shows multiple steady states which requires a special startup strategy using the reboiler duty as a manipulated variable to avoid the undesired, low conversion steady state. A method to determine the time optimal switching point is presented. Based on these case studies a mathematical optimisation of the startup of the methyl acetate process is carried out. By considering the whole startup starting from the cold and empty column, optimised trajectories for manipulated variables like reboiler duty and reflux ration as well as the optimal value for the composition of an initial charge can be determined. A reduction of the startup time by 50% is achieved.
