DE102008029754B3

DE102008029754B3 - Verfahren zur Optimierung von technischen Prozessen für Gas-Flüssig-Phasensysteme

Info

Publication number: DE102008029754B3
Application number: DE102008029754A
Authority: DE
Inventors: Josef Find
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung von technischen Prozessen, bei denen Phasenzustände und Änderung von Phasenzuständen von Bedeutung sind. Das erfindungsgemäße Verfahren schließt die Berechnung von Prozessdaten unter Verwendung eines speziellen Algorithmus ein, wobei die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich vorteilhaft ist gegenüber denjenigen Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Daher handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein generisches Verfahren, das zur Optimierung von unterschiedlichen Prozessen eingesetzt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren für Prozesse eingesetzt, bei denen flüssige Substanzen vorliegen und wo Phasenübergänge auch Übergänge zwischen Flüssig- und Gasphase und umgekehrt auftreten. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einbezug eines mikroprozessor-gestützten Systems oder eines Computers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung von technischen Prozessen, welche Phasenübergänge und insbesondere die Übergänge von Flüssigphase zu Gasphase oder von Gasphase zu Flüssigphase beinhalten. Phasenübergange zwischen Flüssigphase und Gasphase sind bei einer Vielzahl von technischen Prozessen von großer Bedeutung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Optimierung technischer Prozesse handelt es sich um Prozesse, bei denen die Phasenzustände von Substanzen oder Substanzgemischen beziehungsweise auch die Änderungen von Phasenzuständen von Bedeutung sind. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren unter Verwendung eines Computers durchgeführt. Das Verfahren schließt Rechenschritte ein, mit deren Hilfe die Berechnung der Siedelinie einer Substanz oder eines Substanzgemisches vorgenommen wird, wobei zur Durchführung der Berechnung der Siedepunkt der Substanz oder des Substanzgemisches bekannt ist. Dabei ist es möglich, die Angaben zu den Siedpunkten entweder aus Datenbanken beziehungsweise Literaturquellen zu entnehmen oder die Siedepunkte experimentell zu bestimmen. Das Verfahren ist für alle Substanzen geeignet, die bei Normalbedingungen gasförmig, flüssig oder fest vorliegen.
Zum Stand der Technik
Als Bereiche, in denen die Optimierung von technischen Prozessen eine große Rolle spielt, sind die Auslegung und der Betrieb von Destillationskolonnen, Verdampfern oder anderen chemischen-technischen Anlagen zu nennen. Darüber hinaus sind die Bestimmung des optimalen Zündpunktes bei Verbrennungsmotoren oder die Optimierung von Massenflussreglern (siehe CA 1171940 ) zu nennen.
Gemäß dem Stand der Technik werden Siedelinien oftmals experimentell bestimmt.
Beispielsweise offenbart die JP 2003/107024 einen experimentellen Aufbau, der zur Bestimmung von Dampfdruckwerten von flüssigen Substanzen genutzt wird. Die zu untersuchende Substanz befindet sich in einem an eine Vakuumlinie angeschlossenen temperierten Kolben. Die Linie verfügt auch noch über einen weiteren temperierten Kolben mit einer Referenzsubstanz und einem Druckausgleichsbehälter. Die Kolben sind mit Reglern und Rührvorrichtungen ausgestattet und der Druckausgleichsbehälter verfügt über einen Drucksensor.
Die JP 2003/004682 offenbart einen experimentellen Aufbau zur Bestimmung des Dampfdrucks von Substanzen mittels Laserlichts, wobei sich die Substanzen in einem mit Sichtfenster versehenen Behälter befinden. Auf der Innenseite des Sichtfensters erfolgt eine Taubildung. Die Menge an Tau hängt dabei von der Temperatur des Systems ab. Der Laserstrahl wird an der Innenseite des Sichtfensters reflektiert und zu einem Detektor geleitet, wobei thermische Veränderungen zu einer Veränderung des Detektorsignals führen, was in Bezug zu der Taumenge und dem Dampfdruck gesetzt wird.
An den hier dargestellten Beispielen lässt sich erkennen, dass die experimentelle Bestimmung von Dampfdruckkurven in der Regel mit einem hohen Aufwand verbunden ist.
Darüber hinaus ist es eine gängige Praxis, Dampfdruckkurven zu berechnen.
Zur Berechnung oder Vorhersage stehen verschiedene computergestützte Algorithmen zur Auswahl. Beispiele für die Verwendung von computergestützten Algorithmen werden in der JP 2007/212356 und der JP62228465 offenbart.
Sofern es sich um die Ermittlung der Dampfdruckkurven von bekannten Substanzen handelt, bietet die Antoine-Gleichung (Gleichung 1) eine Zugangsmöglichkeit. Die Dampfdruckdaten werden dadurch berechnet, dass die experimentell bestimmten Werte einer mathematischen Anpassung unterzogen werden. Vorraussetzung für die Verwendung der Antoine-Gleichung ist es natürlich, dass die Substanzen bekannt sind und dass die erforderlichen Konstanten den Literaturdatenbanken entnommen werden können.
Den Berechnungsverfahren ist gemeinsam, dass dabei zumindest zwei materialspezifische Konstanten verwendet werden müssen. D. h. für jede Substanz existieren tabellierte Konstanten und Funktionen, die bekannt sein müssen, um die Siedelinie als Funktion der Temperatur berechnen zu können.
Zudem sind solche Gleichungen nur für einen bestimmten Temperaturbereich gültig. Als Beispiel dient aufgrund ihrer verbreiteten Anwendung die Antoine-Gleichung. Die drei notwendigen Antoine-Parameter A1, A2 und A3 finden sich in tabellierten Werken oder in Softwaredatenbanken, beschreiben allerdings jeweils nur einen kleinen Temperaturbereich. Log(P) = A1 – A2/(T + A3) (Gleichung 1)

Beispielweise sind in der NIST-Datenbank (http:/www.nist.gov/chemistry; NIST Standard Reference Database Number 69, June 2005) für die Substanz Wasser die in Tabelle 1 dargestellten Parameter zur Antoine-Gleichung zu finden: Tabelle 1

Temp (K)	A	B	C	Referenz
379–573	3,55959	643,748	–198,043	Liu and Lindsay, 1970
273–303	5,40221	1838,675	–31,737	Bridgeman and Aldrich, 1964
304–333	5,20389	1733,926	–39,485	Bridgeman and Aldrich, 1964
334–363	5,07680	1659,793	–45,854	Bridgeman and Aldrich, 1964
344–373	5,08354	1663,125	–45,622	Bridgeman and Aldrich, 1964
293–343	6.20963	2354,731	7,559	Gubkov, Fermor, et al., 1964
2558–373	4,65430	1435,264	–64,848	Stull, 1947

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Optimierung von technischen Prozessen bereitzustellen, das besser ist als diejenigen Verfahren, die gemäß dem Stand der Technik bekannt sind. Eine weitere Aufgabe ist es, das erfindungsgemäße Verfahren einfach anwendbar zu gestalten.
Die hier genannten Aufgaben wurden dadurch gelöst, dass ein Verfahren nach Anspruch 1 bereitgestellt wird. Dessen Schritte sind in 2.a zusammengefasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren schließt die Verwendung einer Gleichung ein und erlaubt eine verbesserte Lösung von Problemen bei der Optimierung von technischen Prozessen, die insbesondere Phasenübergange zwischen Gasphase und Flüssigphase bzw. Flüssigphase und Gasphase beinhalten.
In 2.a sind die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer neuen Gleichung dargestellt und dem gegenübergestellt wurde in 2.b die Durchführung des Verfahrens gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung der Antoine-Gleichung. Die Gegenüberstellung zeigt, dass die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft ist gegenüber den bisher bekannten Verfahren (wie beispielhaft für die Antoine-Gleichung dargestellt), da zur Durchführung des Verfahrens weniger Schritte erforderlich sind.
Bei bekannter Siedetemperatur T_s wird die Materialkonstante α benötigt, die es erlaubt den Dampf einer beliebigen Substanz bei beliebigem Druck oder beliebiger Temperatur zu berechnen. In Anlehnung an das Prinzip der korrespondierenden Zustände sind als Bezugspunkte die Normalbedingungen (nach DIN 1343, engl. „STP = Standard Temperature and Pressure”), also die Siedetemperatur T_s und der Standard-Normaldruck p₀ definiert. Weiterhin werden P = p/p_o mit dem Dampfdruck p und θ = (T_s – T)/T_s als reduzierte Größen definiert.
Ein Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung von Prozessen ist die Verwendung eines Algorithmus, der zur Verfahrensvereinfachung beiträgt.
Die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzte Gleichung, die empirisch ermittelt wurde, ist in Gleichung 2 angegeben. Ln(P) = c – c(1/{1 – αθ}) mit (1/{1 – αθ}) = Tα,S Ln(P) = c – cTα,S (Gleichung 2)
Bei c handelt es sich um eine dimensionslose Konstante, die einen Wert von 10,69 hat. Um das Ergebnis des Dampfdruckes in Pascal zu erhalten, ist der gefundene Wert mit 101325 zu multiplizieren. Für Wasser ist α = 1,19, die Siedetemperatur beträgt 373 K.
Wird ln(P) gegen 1/{1 – αθ} aufgetragen ergibt sich daraus eine lineare Funktion, die die Siedelinie aller bekannten Substanzen in sich vereinigt. In 1 ist die resultierende Siedelinie für Substanzen gezeigt, die bei Normalbedingungen gasförmig, flüssig und fest sind.
Beispielhaft seien an dieser Stelle einige Substanzen genannt, die zu einer erfolgreichen Bestimmung des Druckes mit der Gleichung geführt haben:

(i) Reine Kohlenwasserstoffe (CxHy): lineare Alkane (C₁–C₂₀), 2,4-Dimethyl-Pentan, 3-Ethyl-3-Methyl-Pentan, Benzol, p-Xylol, o-Xylol, m-Xylol, Cyclopentan, Methyl-Cyclopentan, Cycloheptan, Cyclohexanol, 1,3,5-Trimethylbenzol, Ethin, Ethen, Butadien;
(ii) Lineare und verzweigte sauerstoff-tragende Kohlenwasserstoffe (C_xH_yO_z): lineare Alkohole (C₁–C₇), 2-Methyl-1-Butanol, Isopropanol, 2-Ethoxy-2-Methyl-Propan, Methylacetat, Aceton, Ethylacetat, Methylformate, 2,5-Diethylphthalat, Furandion, 1,5-Hexadien, 3-Pentanon, Furan, Cyclobutanon, Butanal, Essigsäurebutylester, Glycerol, Diethylether, Tetrahydrofuran, Essigsäure;
(iii) Anorganische Stoffe: BBr₃, NH₄Br, BCl₃, Li, Na, K, Cs, Wasser, HCl, HBr, HF, HI, KBr, SiH₄, SiHCl₃, Si₂H₆, Si₃H₈, Ammoniak;
(iv) Gase: CH₃Br, Hg, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Neon, Chlor, Argon, Krypton, Xenon, Kohlenmonoxid, Helium, Chloroform.

Vorteile der Erfindung sind, dass das vorgestellte Verfahren deutlich einfacher ist als bisherige Verfahren und dass nur eine Materialkonstante sowie der Siedepunkt eines Materials benötigt werden. Die Optimierung von technischen Prozessen ist dadurch deutlich verbessert. Während eine Vielzahl an Werten für die Siedetemperaturen von Substanzen tabelliert sind oder über moderne Algorithmen berechnet werden können, wird nur die Konstante α benötigt, um den Dampfdruck eines Materials zu berechnen. Das Verfahren erlaubt außerdem die Bestimmung der Siedelinie über gemessene Werte hinaus zu extrapolieren oder für eine unbekannte Substanz abzuschätzen.
Eine weitere wichtige Anwendung des Verfahrens ist die Wettervorhersage, die in der heutigen Zeit immer mehr an ökonomischer Bedeutung gewinnt. Die numerische, rechnergestützte Berechnung von zu erwartendem Wetter beruht auf der zeitlichen Darstellung von Luftdruck, Luftfeuchte, Temperatur, Windrichtung und Windstärke. Die Bestimmung der Siedelinie erlaubt die Verringerung des Parameterraums.
Beispiele
(A.1) Auslegung eines Flüssigverdampfers
Um bei gegebenen Druck die pulsationsfreie Verdampfung einer Flüssigkeit mittels Erhöhung der Temperatur zu bewerkstelligen, wird das Verfahren verwendet um den Sättigungsdampfdruck bei einer festgelegten Temperatur und einem festgelegten Druck zu berechnen, um eine genügende Verdampfung oder Sättigung der Gasphase mit dem Dampf der flüssigen Substanz zu gewährleisten.
(A.2) Optimierung des Einspritzprozeßes in Kraftfahrzeugen
Je nach verwendetem Kraftstoff (z. B. Sommerdiesel, Winterdiesel) ändert sich das Abbrennverhalten des unter Hochdruck eingespritzten Kraftstoffs. Durch Festlegen der mittleren Materialkonstante α und der mittleren Siedetemperatur T_s (z. B. als Kennzahl an Tankstellen) lässt sich computergesteuert das Einspritzverhalten anpassen und die Motorleistung optimieren. Somit wird auch Kraftstoff gespart.
(A.3) Wettervorhersage
Durch die Verknüpfung von Luftfeuchte, Luftdruck und Temperatur kann durch die Benutzung des Verfahrens eine vereinfachte numerische Wettervorhersage betrieben werden, da neben Windstärke und Windrichtung die drei weiteren maßgeblichen Parameter Luftfeuchte, Luftdruck und Temperatur durch eine Gleichung behandelt werden können. Somit kann die Rechenzeit verringert werden.
Kurze Beschreibung der Abbildungen:
1 zeigt die reduzierten Dampfdruckwerte von mehr als hundert unterschiedlichen Substanzen, wobei die Dampfdrücke als logarithmierte Werte entlang der Ordinate gegen die Werte der substanzspezifischen Temperatur T_α,S entlang der Abszisse aufgetragen sind. Die in der 1 dargestellten Substanzen sind bei Normalbedingungen gasförmig, flüssig oder fest.
2.a zeigt die schematische Darstellung der einzelnen Schritte die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen sind, um eine Prozessoptimierung vorzunehmen.
2.b zeigt die schematische Darstellung der einzelnen Schritte, die nach dem Stand der Technik durchzuführen sind, um eine Prozessoptimierung vorzunehmen.

α: Materialkonstantereduzierte Temperatur
θ: reduzierte Temperatur
T: Temperatur
T_s: Siedetemperatur
T_α,S: substanzspezifische Temperatur
p: Druck
A1, A2, A3: Konstanten der Antoine-Gleichung in einem einzelnen Temperaturbereich
A, B, C: Konstanten der Antoine-Gleichung in drei unterschiedlichen Temperaturbereichen

Claims

Verfahren zur Optimierung eines technischen Prozesses, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für eine Substanz eine Dampfdruckkurve mit der Gleichung Ln(P) = c – c (1/{1 – αθ}) zugrunde gelegt wird, und das Ergebnis einer Dampfdruckberechnung mit der Gleichung bei der Optimierung des Prozesses verwendet wird, wobei P = p/p_o ein reduzierter Dampfdruck, mit p = Dampfdruck und p_o = Normaldruck, θ = (T_s – T)/T_s eine reduzierte Temperatur, mit T_s = Siedetemperatur, T = Temperatur, c eine substanzunabhängige Konstante und α eine substanzspezifische Konstante ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfdruckberechnung auf einem Prozessor oder auf einem Computer abläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem technischen Prozess um die Auslegung oder Betrieb einer technischen Anlage handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem technischen Prozess um die Auslegung des Zündvorgangs oder den Einspritzprozess eines Verbrennungsmotors handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem technischen Prozess um die Bestimmung von Wetterdaten handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem technischen Prozess um die Bestimmung von Viskositäten handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem technischen Prozess um die Auslegung von Massenfluss- und/oder Volumenfluss-Kontrollgeräten handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem technischen Prozess um die Bestimmung des Massen- und Volumenstroms von technischen Anlagen handelt.