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Integrated thermo-economic design of processes and molecules using PC-SAFT = Integriertes thermo-ökonomisches Design von Prozessen und Molekülen mittels PC-SAFT
2020
Dissertation, RWTH Aachen University, 2020
Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-03-20
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-08755
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/796078/files/796078.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CAMD (frei) ; CAMPD (frei) ; Organic Rankine Cycle (frei) ; PC-SAFT (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die richtige Auswahl von Molekülen ist der Schlüssel zum Erfolg für zahlreiche Prozesse in der Energie- und Verfahrenstechnik, z.B. Kältemittel für Kühlungsanwendungen. Die Auswahl von Molekülen hängt dabei direkt vom Entwurf des Prozesses selbst ab. Deshalb kann die Wirtschaftlichkeit eines Prozesses nur gewährleistet werden, wenn Moleküle auf Prozessebene ausgewählt werden und die inhärente thermo-ökonomische Wechselwirkung zwischen Betriebskosten und Investitionskosten des Prozesses berücksichtigt wird. Um eine optimale Kombination von Molekül und Prozess zu erhalten, muss das Molekül daher gleichzeitig mit dem Prozess entworfen werden. Um die Auswahl von optimalen Molekülen zu ermöglichen, wird in dieser Arbeit eine systematische Methode für den integrierten thermo-ökonomischen Entwurf von Molekülen und Prozessen vorgestellt. Durch die Integration des Moleküls als Freiheitsgrad in den Prozessentwurf können neuartige Moleküle computergestützt entworfen und auf Prozessebene bewertet werden. Prozess und Molekül werden dabei mithilfe der PC-SAFT-Zustandsgleichung thermodynamisch konsistent verbunden. Neben dem Entwurf von Reinstoffen ermöglicht die Methode auch den Entwurf von Mischungen. Um die Wirtschaftlichkeit von Prozessen mit den darin betrachteten Molekülen zu quantifizieren, werden der Entwurf der Anlagenstruktur und die Dimensionierung der Anlagenkomponenten zusätzlich in die Methode integriert. Dadurch kann die inhärente thermo-ökonomische Wechselwirkung zwischen Betriebskosten und Investitionskosten beim Molekülentwurf berücksichtigt werden. Um eine benutzerfreundliche Anwendung für einen großen Anwenderkreis zu ermöglichen, wird die vorgestellte Methode in eine kommerzielle Software für Prozessmodellierung implementiert. Die Entwurfsmethode identifiziert das thermo-ökonomisch optimale Molekül oder Gemisch zusammen mit dem optimalen Betriebspunkt, Anlagendimensionierung und Anlagenstruktur des Prozesses. Die Methode wird am Beispiel des integrierten Entwurfs eines Organic Rankine Cycles veranschaulicht. Die Ergebnisse zeigen die starke Wechselwirkung zwischen Molekül und Prozess und unterstreichen damit die Notwendigkeit eines integrierten Entwurfs. Die vorgestellte Methode ermöglicht somit einen integrierten Entwurf, der alle Skalen vom Molekül bis zur Ökonomie verbindet, um den Erfolg von zahlreichen Prozessen in der Energie- und Verfahrenstechnik zu gewährleisten.The right choice of molecules is often crucial for the ultimate success or failure of energy and chemical conversion processes, e.g., refrigerants for cooling systems. However, choosing the right molecule for a process is challenging as the choice of molecules depends directly on the design of the process itself and vice versa. The ultimate success of a process can only be ensured if molecules are assessed on process level considering the inherent thermo-economic trade-off between operating cost and capital investment of the process. To capture all thermo-economic trade-offs, the molecule has thus to be designed simultaneously with the process. To tackle the challenge of choosing the right molecule, this thesis presents a systematic method for the integrated thermo-economic design of molecules and processes. For this purpose, computer-aided molecular design is directly integrated into process design. Thereby, novel molecules can be designed in silico and assessed on the process level. The link between process and molecule is modeled in a thermodynamically consistent way, using the physically-based PC-SAFT equation of state. Besides the design of pure molecules, the method enables also the design of mixtures. To quantify the economic performance of molecules, the design of the process flowsheet and the sizing of the equipment are directly integrated into the design problem. Thereby, the molecule design captures the inherent thermo-economic trade-off between operating cost and capital investment of the process. To provide a user-friendly application for a large user community, the presented method is integrated into a commercial flowsheeting software enabling the definition of the process flowsheet based on model libraries and drag-and-drop flowsheeting. The presented design method identifies the thermo-economically optimal molecule or mixture jointly with the optimal process settings, equipment sizes, and flowsheet. The method is exemplified for the integrated design of Organic Rankine Cycles. The results demonstrate the strong interaction between molecule and process highlighting the need for a systematic integrated design. The presented design method enables a systematic design linking all scales from molecule to economics to ensure the ultimate success of energy and chemical conversion processes.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020568362
Interne Identnummern
RWTH-2020-08755
Datensatz-ID: 796078
Beteiligte Länder
Germany
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