Heidelberg, Universiẗat, Diss., 2004.

Im Gegensatz zur konventionellen adiabatischen Destillation erfolgt bei der diabatischen Destillation Wärmeaustausch nicht nur am Kondensator und Verdampfer, sondern auch innerhalb der Kolonne an den einzelnen Siebböden, was die Entropieproduktion (=Exergieverlust) des Destillationsprozesses stark reduziert. In dieser Arbeit werden Modellsysteme zur diabatischen Destillation von idealen binären Gemischen mittels numerischer Optimierung untersucht. Das Ausgangsmodell beschränkt sich auf die Minimierung der Entropieproduktion verursacht durch Wärme- und Massentransport im Inneren der diabatischen Destillationskolonne. Im zweiten Modell wird das diabatische Modell um die Irreversibilität bedingt durch den Wärmeaustausch mit der Umgebung erweitert. Im dritten Modellsystem wird anstelle der bis dahin voneinander unabhängig geregelten Bodentemperaturen eine diabatische Implementierung mit seriellen Wärmetauschern untersucht, die nur mehr vier Kontrollvariablen besitzt und besonders zur praktischen Anwendung geeignet ist. Für alle diabatischen Modelle werden die minimale Entropieproduktion und optimalen Betriebsprofile numerisch ermittelt, und mit konventionellen Destillationskolonnen verglichen. Alle Ergebnisse zeigen eine deutlich Reduktion der Entropieproduktion für den diabatische Fall, besonders bei Kolonnen mit vielen Böden. / Contrary to conventional adiabatic distillation, in diabatic distillation columns heat transfer not only happens at the condenser and reboiler but also at the intermediate trays which strongly reduces the entropy production (= exergy losses). In this work, model systems for the diabatic distillation of ideal binary mixtures are investigated numerically.The first model is restricted to the minimization of the entropy production due to heat and mass transfer inside the diabatic column. In the second approach the model is extended with the irreversibility due to heat transfer with the column's surroundings. Instead of independently controlled tray temperatures as in the latter models, we focus on a specific diabatic implementation with sequential heat exchangers, which has merely four controls and which is particularly suitable for practical application. For all diabatic models the minimum entropy production and resulting optimal operating profiles are determined numerically, and compared to the ones obtained for a conventional column. All results show an enormous reduction of the entropy production for the diabatic case, especially for columns with many trays.

University, Diss., 2001--Heidelberg.

Im Gegensatz zur konventionellen adiabatischen Destillation erfolgt bei der diabatischen Destillation Wärmeaustausch nicht nur am Kondensator und Verdampfer, sondern auch innerhalb der Kolonne an den einzelnen Siebböden, was die Entropieproduktion (=Exergieverlust) des Destillationsprozesses stark reduziert. In dieser Arbeit werden Modellsysteme zur diabatischen Destillation von idealen binären Gemischen mittels numerischer Optimierung untersucht. Das Ausgangsmodell beschränkt sich auf die Minimierung der Entropieproduktion verursacht durch Wärme- und Massentransport im Inneren der diabatischen Destillationskolonne. Im zweiten Modell wird das diabatische Modell um die Irreversibilität bedingt durch den Wärmeaustausch mit der Umgebung erweitert. Im dritten Modellsystem wird anstelle der bis dahin voneinander unabhängig geregelten Bodentemperaturen eine diabatische Implementierung mit seriellen Wärmetauschern untersucht, die nur mehr vier Kontrollvariablen besitzt und besonders zur praktischen Anwendung geeignet ist. Für alle diabatischen Modelle werden die minimale Entropieproduktion und optimalen Betriebsprofile numerisch ermittelt, und mit konventionellen Destillationskolonnen verglichen. Alle Ergebnisse zeigen eine deutlich Reduktion der Entropieproduktion für den diabatische Fall, besonders bei Kolonnen mit vielen Böden. / Contrary to conventional adiabatic distillation, in diabatic distillation columns heat transfer not only happens at the condenser and reboiler but also at the intermediate trays which strongly reduces the entropy production (= exergy losses). In this work, model systems for the diabatic distillation of ideal binary mixtures are investigated numerically.The first model is restricted to the minimization of the entropy production due to heat and mass transfer inside the diabatic column. In the second approach the model is extended with the irreversibility due to heat transfer with the column's surroundings. Instead of independently controlled tray temperatures as in the latter models, we focus on a specific diabatic implementation with sequential heat exchangers, which has merely four controls and which is particularly suitable for practical application. For all diabatic models the minimum entropy production and resulting optimal operating profiles are determined numerically, and compared to the ones obtained for a conventional column. All results show an enormous reduction of the entropy production for the diabatic case, especially for columns with many trays.

Bei der Rektifikation werden heute zunehmend Füllkörperkolonnen mit geordneten Packungen eingesetzt. Die Maldistribution, ein bislang ungelöstes Problem in Füllkörperkolonnen, wirkt sich negativ auf die Stoffaustauschleistung aus. Zur Verringerung der Maldistribution wird zwischen den Packungssektionen mehrfach die Rücklaufflüssigkeit gesammelt und erneut gleichmäßig über den Kolonnenquerschnitt verteilt. Diese Neuverteilung realisieren Zwischenverteiler, die somit einen Großteil der Kolonnenhöhe beanspruchen und damit die Investitions- und Betriebskosten erheblich erhöhen. Hauptursache für die Bauhöhe der Zwischenverteiler ist der Wunsch nach einem vollständigen Konzentrationsausgleich vor der Neuverteilung. Um die Kolonnenhöhe zu verringern und dennoch die gleiche Trennleistung zu erreichen, mangelt es den Anlagenbauern bislang an einer praktikablen Lösung. Entgegen der bisherigen Lehrbuchmeinung wird in dieser Arbeit die Bedeutung des vollständigen Konzentrationsausgleich grundsätzlich in Frage gestellt. Es erfolgen deshalb theoretische und experimentelle Untersuchungen für ein besseres Verständnis der Neuverteilung der Rücklaufflüssigkeit und deren Auswirkung auf die Trennleistung. Durch Modifizierung des klassischen Zwei-Kolonnen-Modells gelingt es, den Einfluss der Maldistribution, der Dampfquervermischung und der hydraulisch gleichmäßigen Flüssigkeitsneuverteilung mit und ohne vollständigen Konzentrationsausgleich numerisch zu simulieren. Die Überprüfung der Simulationsmodelle erfolgt an einer Pilotkolonne mit einem inneren Durchmesser von 1 m. Die Kolonne ist mit Sulzer MellapakPlus 752.Y ausgerüstet und als Testgemisch dient trans-/cis-Dekalin. Im Ergebnis zeigt sich, dass vor allem der hydraulische Ausgleich erforderlich ist und es praktisch keinen Unterschied zwischen vollständigen und unvollständigen Konzentrationsausgleich bei sonst gleichen Betriebsbedingungen gibt. Überlegungen für deutlich flachere Verteilerkonstruktionen werden vorgestellt.

Bei der Rektifikation werden heute zunehmend Füllkörperkolonnen mit geordneten Packungen eingesetzt. Die Maldistribution, ein bislang ungelöstes Problem in Füllkörperkolonnen, wirkt sich negativ auf die Stoffaustauschleistung aus. Zur Verringerung der Maldistribution wird zwischen den Packungssektionen mehrfach die Rücklaufflüssigkeit gesammelt und erneut gleichmäßig über den Kolonnenquerschnitt verteilt. Diese Neuverteilung realisieren Zwischenverteiler, die somit einen Großteil der Kolonnenhöhe beanspruchen und damit die Investitions- und Betriebskosten erheblich erhöhen. Hauptursache für die Bauhöhe der Zwischenverteiler ist der Wunsch nach einem vollständigen Konzentrationsausgleich vor der Neuverteilung. Um die Kolonnenhöhe zu verringern und dennoch die gleiche Trennleistung zu erreichen, mangelt es den Anlagenbauern bislang an einer praktikablen Lösung. Entgegen der bisherigen Lehrbuchmeinung wird in dieser Arbeit die Bedeutung des vollständigen Konzentrationsausgleich grundsätzlich in Frage gestellt. Es erfolgen deshalb theoretische und experimentelle Untersuchungen für ein besseres Verständnis der Neuverteilung der Rücklaufflüssigkeit und deren Auswirkung auf die Trennleistung. Durch Modifizierung des klassischen Zwei-Kolonnen-Modells gelingt es, den Einfluss der Maldistribution, der Dampfquervermischung und der hydraulisch gleichmäßigen Flüssigkeitsneuverteilung mit und ohne vollständigen Konzentrationsausgleich numerisch zu simulieren. Die Überprüfung der Simulationsmodelle erfolgt an einer Pilotkolonne mit einem inneren Durchmesser von 1 m. Die Kolonne ist mit Sulzer MellapakPlus 752.Y ausgerüstet und als Testgemisch dient trans-/cis-Dekalin. Im Ergebnis zeigt sich, dass vor allem der hydraulische Ausgleich erforderlich ist und es praktisch keinen Unterschied zwischen vollständigen und unvollständigen Konzentrationsausgleich bei sonst gleichen Betriebsbedingungen gibt. Überlegungen für deutlich flachere Verteilerkonstruktionen werden vorgestellt.