In Deutschland soll im Zuge der Energiewende der Anteil erneuerbarer Energien am Strommix steigen. Da Energiequellen wie Windkraft oder Solarenergie stark schwankende Verfügbarkeiten aufweisen, steigt insgesamt die Volatilität des Strommarkts und -preises. Eine Möglichkeit darauf zu reagieren ist das sogenannte Demand Side Management, bei dem der Stromverbrauch der Stromverfügbarkeit angepasst wird. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Kopernikus-Projekt SynErgie wird daran geforscht, energieintensive Industrieprozesse flexibler betreiben zu können und sie damit für Demand Side Management zur Verfügung zu stellen. Einer dieser Prozesse ist die kryogene Luftzerlegung, die im Teilprojekt FlexASU untersucht wird.
Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik arbeitet zusammen mit dem Projektpartner Linde GmbH sowohl an der Entwicklung von sog. digitalen Zwillingen von Luftzerlegungsanlagen (dynamische Prozesssimulation der Gesamtanlage), als auch an der Verbesserung einer Schlüsselkomponente für den flexiblen Betrieb: Den eingesetzten Hauptwärmeübertrager.
Hauptwärmeübertrager
Der Hauptwärmeübertrager einer Luftzerlegungsanlage ist besonders von einer erhöhten Anzahl an Lastwechseln, An- und Abfahrvorgängen betroffen. Diese führen bei dem üblicherweise als gelöteten Aluminium-Plattenwärmeübertrager ausgeführten Bauteil zu hohen zeitlichen und örtlichen Temperaturunterschieden, die wiederum zu hohen thermischen Belastungen und im schlimmsten Fall zu einer mechanischen Schädigung des Bauteils führen können. Eine detaillierte Untersuchung des Verhaltens des Hauptwärmeübertragers beim flexiblen Betrieb ist daher essenziell.
Aus diesem Grund wurde im Projekt am Standort des Projektpartners Linde ein mit umfangreicher Messinstrumentierung ausgestatteter Prüfstand für Plattenwärmeübertrager designt, gefertigt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Im Prüfstand werden zwei Plattenwärmeübertrager abwechselnd mit warmem und tiefkaltem Stickstoff durchströmt, um besonders harsche Lastwechsel zu simulieren. Der dem Temperaturniveau einer Luftzerlegungsanlage nachempfundene kryogene Teil des Prüfstands ist dazu in einer sogenannten Coldbox verbaut, die mit isolierendem Perlit gefüllt ist. Der Prüfstand dient einer detaillierten Analyse der Schadensmechanismen unter thermischer Belastung und der Bestimmung von dreidimensionalen Temperatur- und Dehnungsfeldern.
Auf Grundlage dieser Daten wurde ein vollständig neues CFD-Modell entwickelt, welches die räumliche Temperaturverteilung in Plattenwärmeübertragern auch im lastflexiblen Betrieb wiedergeben kann. Neben dem Einsatz bei der Untersuchung der Lebensdauer des Wärmeübertragers wird das Modell auch dazu verwendet, neue Betriebskonzepte für möglichst schonende und zugleich schnelle An- und Abfahrvorgänge verschiedener Typen von Luftzerlegungsanlagen zu entwickeln.
Dynamische Simulation von Gesamtprozessen – digitaler Zwilling
Ein weiterer wichtiger Aspekt für den flexiblen Betrieb von Luftzerlegungsanlagen ist die Entwicklung von Regelungskonzepten, welche für die volatile Energieverfügbarkeit durch erneuerbare Energien geeignet sind. Um diese Konzepte effizient, ohne Beeinträchtigung des Betriebs einer realen Anlage, aber trotzdem realitätsnah testen zu können, ist die Entwicklung von sog. digitalen Zwillingen notwendig. Unter dem Begriff digitaler Zwilling wird das virtuelle Abbild einer Anlage verstanden, das ein zur Anlage nahezu identisches stationäres und transientes Verhalten simuliert. In Kooperation mit dem Projektpartner Linde werden detaillierte, dynamische Prozessmodelle der notwendigen Grundoperationen einer Luftzerlegungsanlage entwickelt. Dabei wird im Gegensatz zur konventionellen Prozesssimulation ein druckgetriebener Modellierungsansatz verwendet, der gewährleistet, dass der digitale Zwilling den gesamten Lastbereich einer Luftzerlegungsanlage realitätsgetreu abbilden kann. Somit können auch Szenarien wie ein plötzlicher Anlagenstopp oder das (Wieder-) Anfahren der Anlage berücksichtigt werden, welche durch den steigenden Anteil an erneuerbaren Energien zunehmend an Bedeutung gewinnen.
Der Lehrstuhl bedankt sich herzlich beim BMBF für die finanzielle Unterstützung und beim Projektträger Jülich (PTJ) für die Betreuung des Kopernikus-Projekts „SynErgie“ (FKZ 03SFK3E1) und „SynErgie2“ (FKZ 03SFK3E1-2).
Fritsch, P.; Haider, P.; Flüggen, R.; Hoffmann, R.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: A Cryogenic Test Rig for Startup Procedures of Main Heat Exchangers in Flexible Air Separation Units. American Institute of Chemical Engineers (AIChE) 2022 Spring Meeting and 18th Global Congress on Process Safety, 2022 more…
Fritsch, P.; Haider, P.; Flüggen, R.; Hoffmann, R.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Kryogener Versuchsstand für Plattenwärmeübertrager für den Einsatz in flexibel betriebenen Luftzerlegungsanlagen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Hochdruckverfahrenstechnik, 2022 more…
Kender, R.; Rößler, F.; Wunderlich, B.; Pottmann, M.; Golubev, D.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Development of control strategies for an air separation unit with a divided wall column using a pressure-driven digital twin. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 2022, 108893 more…
Kender, R.; Rößler, F.; Wunderlich, B.; Pottmann, M.; Thomas, I.; Ecker, A.‐M.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Improving the load flexibility of industrial air separation units using a pressure‐driven digital twin. AIChE Journal, 2022 more…
Kender, R.; Stops, L.; Wunderlich, B.; Pottmann, M.; Ecker, A.-M.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Development of a Model Reduction Approach for a Pressure-Driven Column Model Using Digital Twin Technology. American Institute of Chemical Engineers (AIChE) 2022 Spring Meeting and 18th Global Congress on Process Safety, 2022 more…
2021
Acher, T.; Mehanovic, D; Rößler, F.; Haider, P.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Advanced numerical models to enhance design and operation of industrial scale process equipment. WCCM-Eccomas Congress 2020, 2021 more…
Fritsch, P.; Haider, P.; Flüggen, R.; Hoffmann, R.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Auswirkungen des flexiblen Betriebs von Luftzerlegungsanlagen auf den Hauptwärmeübertrager. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Wärme- und Stoffübertragung, 2021 more…
Fritsch, P.; Hoffmann, R.; Flüggen, R.; Haider, P.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: A Cryogenic Test Rig for Dynamically Operated Plate‐Fin Heat Exchangers. Chemie Ingenieur Technik 93 (8), 2021 more…
Fritsch, P.; Hoffmann, R.; Flüggen, R.; Woitalka, A.; Haider, P.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Distributed Temperature and Strain Measurements at a Cryogenic Plate‐Fin Heat Exchanger Test Rig. Chemie Ingenieur Technik, 2021 more…
Haider, P.; Freko, P.; Acher, T.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Influence of Inlet Configuration and Distributor Geometry on the Performance of Cryogenic Plate-Fin Heat Exchangers. Applied Thermal Engineering, 2021, 117197 more…
Haider, P.; Fritsch, P.; Freko, P.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Ein transientes dreidimensionales Modell für die Simulation von Plattenwärmeübertragern. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Wärme- und Stoffübertragung, 2021 more…
Haider, P.; Heinz, P.; Acher, T.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: A Framework for Multi-Objective Optimization of Plate-Fin Heat Exchangers Using a Detailed Three-Dimensional Simulation Model. MDPI ChemEngineering 5 (4(82)), 2021 more…
Kender, R.; Kaufmann, F.; Rößler, F.; Wunderlich, B.; Golubev, D.; Thomas, I.; Ecker, A.-M.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Development of a digital twin for a flexible air separation unit using a pressure-driven simulation approach. Computers & Chemical Engineering 151, 2021, 107349 more…
Kender, R.; Rößler, F.; Wunderlich, B.; Thomas, I.; Pottmann, M.; Ecker, A.-M.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Entwicklung eines druckgetriebenen digitalen Zwillings einer Luftzerlegungsanlage mit Argonproduktion. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Wärme- und Stoffübertragung, 2021 more…
Kender, R.; Wunderlich, B.; Rößler, F.; Schliebitz, F.; Golubev, D.; Pottmann, M.; Thomas, I.; Ecker, A.-M.; Lochner, S.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Towards Flexible Operation of Air Separation Units - How can Digital Twins Contribute? Siemens CKI Conference at TU Munich - Simulation and Digital Twins, 2021 more…
Haider, P.; Freko, P.; Acher, T.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: A transient three-dimensional model for thermo-fluid simulation of cryogenic plate-fin heat exchangers. Applied Thermal Engineering 180, 2020, 115791 more…
Heinz, P.; Acher, T.; Flüggen, R.; Freko, P.; Walter, T.; Haider, P.; Rößler, F.: Digital Twin of a Plate-Fin Heat Exchanger. GasTech Virtual Summit, 2020 more…
Kender, R.; Goloubev, D.; Wunderlich, B.; Pottmann, M.; Ecker, A.-M.; Rehfeldt,S.; Klein,H.: Anwendung eines digitalen Zwillings einer Luftzerlegungsanlage mit Trennwandkolonne für die Entwicklung eines Betriebskonzepts. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgemeinschaft Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik, 2020 more…
Kender, R.; Rößler, F.; Wunderlich, B.; Thomas, I.; Ecker, A.-M.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Application of a Digital Twin of an Air Separation Unit with Argon Production. Virtual AIChE Annual Meeting, 2020 more…
Freko, P.; Acher, T.; Mohanovic, D.; Haider, P.; Klein, H.: Lifetime optimization of plate fin heat exchangers. IGT International Liquefied Natural Gas Conference Proceedings, 2019, 985 more…
Haider, P.; Freko, P.; Lochner, S.; Reiter, T.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Design of a test rig for the simulation of startup procedures in main heat exchangers of air separation plants. Chemical Engineering Research and Design 147, 2019, 90-97 more…
Haider, P.; Freko, P.; Lochner, S.; Reiter, T.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Untersuchung von Anfahrvorgängen in Hauptwärmeübertragern von Luftzerlegungsanlagen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Wärme- und Stoffübertragung , 2019 more…
Haider, P.; Freko, P.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Schlüsselkomponenten - Robustifizierung des Hauptwärmetauschers – Technologische Weiterentwicklungen zur Erhöhung des Flexibilitätspotentials. In: Sauer, A.; Abele, E.; Buhl, H. U. (Ed.): Energieflexibilität in der deutschen Industrie. Fraunhofer Verlag, 2019 more…
Kender, R.; Rößler, F.; Wunderlich, B.; Thomas, I.; Freko, P.; Peschel, A.; Ecker, A.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Vorteile eines druckgetriebenen Modellierungsansatzes bei der dynamischen Simulation eines Wärmeübertragers. 1. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik, 2019 more…
Kender, R.; Wunderlich, B.; Thomas, I.; Peschel, A.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Pressure-driven dynamic simulation of start up and shutdown procedures of distillation columns in air separation units. Chemical Engineering Research and Design 147, 2019, 98-112 more…
Kender, R.; Wunderlich, B.; Thomas, I.; Peschel, A.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Gesamtprozess - Dynamische Simulationen von Anlagenstopps und Anfahrvorgänge – Technologische Weiterentwicklungen zur Erhöhung des Flexibilitätspotentials. In: Sauer, A.; Abele, E.; Buhl, H. U. (Ed.): Energieflexibilität in der deutschen Industrie. Fraunhofer Verlag, 2019 more…
Haider, P.; Freko, P.; Lochner, S.; Reiter, T.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Design of a test rig for the simulation of startup procedures in main heat exchangers of air separation plants. Chemical Engineering Transactions 69, 2018 more…
Haider, P.; Freko, P.; Lochner, S.; Reiter, T.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Design of a test rig for the simulation of startup procedures in main heat exchangers of air separation plants. Distillation & Absorption, 2018 more…
Haider, P.; Freko, P.; Lochner, S.; Reiter, T.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Auslegung eines Demonstrators zur Simulation von Anfahrvorgängen in Hauptwärmeübertragern von Luftzerlegungsanlagen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik, Membrantechnik und Mischvorgänge, 2018 more…
Haider, P.; Freko, P.; Lochner, S.; Reiter, T.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Design of a test rig for the simulation of startup procedures in main heat exchangers of air separation plants. 2018 AIChE Annual Meeting, 2018 more…
Kender, R.; Wunderlich, B.; Thomas, I.; Peschel, A.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Pressure-driven dynamic simulation of distillation columns in air separation units. Chemical Engineering Transactions 69, 2018 more…
Kender, R.; Wunderlich, B.; Thomas, I.; Peschel, A.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Pressure-driven dynamic simulation of distillation columns in air separation units. Distillation & Absorption, 2018 more…
Kender, R.; Wunderlich, B.; Thomas, I.; Peschel, A.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Druckgetriebene dynamische Simulation von Rektifikationskolonnen bei Luftzerlegungsanlagen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik, Membrantechnik und Mischvorgänge, 2018 more…
2017
Mitsos, A.; Klein, H.; Schliebitz, F.; Peschel, A.; Lochner, S.; Mhamdi, A.; Rehfeldt, S.; Schäfer, P.; Schweidtmann, A.; Caspari, A.; Haider, P.; Kender, R.: FlexASU: Flexibilisierung des Betriebs von Luftzerlegungsanlagen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgemeinschaften "Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik" sowie „Werkstoffe, Konstruktion, Lebensdauer“ 2017, 2017 more…
