Dynamic methods for thermodynamic equilibrium calculations in process simulation and process optimization

Abstract

This thesis proposes a novel framework for the application of chemical and phase equilibrium calculations in process simulation and optimization. Therefore, a generalized methodology for the computation of chemical and phase equilibria is presented. This method is physically motivated and simulates the dynamic evolution of a thermodynamic system from an initial point into its final equilibrium state. This approach is exemplified at several examples of different type and complexity and it is compared against the conventional Gibbs energy minimization method. After that, the proposed method is extended to a method for process simulation by connecting different process units with each other according to the process flowsheet via the mass balances of the streams between the units. This approach allows the simultaneous solution of the process simulation in one step and overcomes the iterative coupling between the unit models and the process model in conventional tearing methods. After that, the developed method for process simulation is employed for optimization of a methanol synthesis process. Employing the developed methods allows computationally efficient simulation of complex reactive multiphase systems, as well as the simulation and optimization of chemical processes.

Diese Arbeit entwickelt eine Methodik zur Berechnung chemischer Gleichgewichte und Phasengleichgewichte in Prozesssimulation und Prozessoptimierung. Dazu wird ein allgemeiner Ansatz zur Berechnung von chemischen Gleichgewichten und Phasengleichgewichten hergeleitet. Diese Methode ist physikalisch motiviert und simuliert die dynamische Entwicklung eines thermodynamischen Systems von einem Startpunkt in sein thermodynamisches Gleichgewicht. Diese Vorgehensweise wird anhand verschiedener Beispiele unterschiedlichen Typs und unterschiedlicher Komplexität demonstriert und mit der konventionellen Methode der Minimierung der Gibbs- Energie verglichen. Danach wird diese Methode erweitert, um in Prozesssimulationen die einzelnen Prozesselemente simultan berechnen zu können. Dies geschieht durch die Verschaltung der einzelnen Elemente entsprechend des Fließbildes durch die Massenbilanzen der Stoffströme zwischen den jeweiligen Prozesseinheiten. Dieser Ansatz erlaubt die simultane Lösung der Prozesssimulation in einem Schritt und umgeht damit die iterative Kopplung zwischen den Modellen der Prozesseinheiten und dem Modell der Prozesssimulation in konventionellen Tearing-Methoden. Anschließend wird die entwickelte Methode zur Optimierung eines Methanol-Synthese-Prozesses eingesetzt. Die Anwendung der entwickelten Verfahren erlaubt sowohl eine rechentechnisch effiziente Simulation komplexer reaktiver Mehrphasensysteme, als auch die Simulation und Optimierung verfahrenstechnischer Prozesse.