Keller, Andreas H.

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Research CollectionDoctoral ThesisStufengerechte Beurteilung und Optimierung der thermischenProzesssicherheit mittels dynamischer ModellierungAuthor(s): Keller, Andreas H.Publication Date: 1998Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-001915420Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use PermittedThis page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For moreinformation please consult the Terms of use.ETH LibraryDiss.ETHNr. 12607Stufengerechte Beurteilung undOptimierung der thermischenProzesssicherheit mittelsdynamischer ModellierungAbhandlungZur Erlangung des TitelsDoktor der Technischen WissenschaftenderEidgenossischen Technischen Hochschule Zurichvorgelegt vonAndreas Harald KellerDipl. Chem.-Ing. ETHgeboren am 24. September 1967von Hugelshofen und Dotnacht TGAngenommen aufAntrag vonProf. Dr. K. Hungerbuhler, ReferentProf. Dr. M. Morbidelli, KorreferentZurich, 1998AbstractIncreasing economical, ecological and safety requirements for chemicalproduction processes demand an assessment of the predicted behaviour atevery stage of process development. For instance in the field of processsafety, thermal behaviour not only under normal conditions but also in thecase of a cooling failure has to be considered. Although well-developedmethods for the assessment and the optimisation of the thermal safety areavailable, in general they are considered too late within the time frame ofprocess development.As a contribution to closing such gaps, stage-consistent modelling of therelevant system in the development phase under consideration issuggested. The focus of the present study is the in fine chemicalsproduction widely used semibatch reactor. In order to assess the thermalrisk arising from alternative synthesis routes, it is sufficient to use aadiabatic model of the chemical system. Optimisation during the processdevelopment phase requires that the physico-chemical processes, includingcontacting scheme and heat production, have to be modelled. In the designstage, when the conception and layout of the equipment takes place, amodel has to be set up which describes the dynamic behaviour of theoverall system including the cooling device and the control system.Whereas the needed thermodynamic data are often easily available, kineticdata are hardly obtainable by experiment or literature.For application in the early stages of process development, a method basedon dynamic differential scanning calorimetry (DSC) was studied. Thismethod permits an early estimation of the probability of thermal risk,expressed by the time to maximum rate under adiabatic conditions(TMRad). Because autocatalytic reactions need to be consideredseparately, the DSC-Method was extended for their identification. Bymeans of a mathematical description of the DSC-equipment and ofdifferent reaction types, it was possible to simulate adiabatic temperaturecurves as well as dynamic and isothermal DSC curves. The reliability ofthe estimation method could be shown by comparing the TMRaii-valuesderived from these curves using different methods including the estimationmethod. The experimental adiabatic dewar and isothermal DSCmeasurements showed a good agreement with the results derived fromdynamic simulations.For the development of semibatch processes, a methodology is proposedwhich includes an optimisation on the basis of dynamic process modelling.If the optimisation is done by dynamic programming, it is possible toinclude several constraints. The objective function used consists of a termwhich describes the economic performance, and a penalty term; thepenalty term describes the deviation from the constraints. A minimalacceptable TMRad and a maximal removable heat release rate under normalconditions were chosen as constraints. To describe the economicperformance the yield or the production costs were used. By means oftwo case studies, it could be shown that modifying the feed profile leads toan increase of the economic performance while maintaining the safetyconstraints at the same time.In order to assess the dynamic behaviour of the overall system, consistingof chemicals and their reactions, process and equipment, the processmodel used for the optimisation has to be extended by the equipment. Theemphasis has to be put on the process dynamics resulting from theinertness of the cooling device and the control system. Using theproduction process of a vitamin intermediate as a case study, it could beshown that the dynamic behaviour of the overall equipment can bedescribed well by a dynamic simulation model. In the case studied, it waspossible to check the transfer of a process alternative to an existingproduction plant and to optimise the control parameters.By means of different case studies, it could be shown that the regularintegration of dynamic modelling in process development, together with acontinuous adaptation of the models according to the required degree ofcomplexity of a particular stage can be highly beneficial.ZusammenfassungOkonomische, okologische und sicherheitstechnische Anforderungen aneinen chemischen Produktionsprozess verlangen auf alien Stufen derProzessentwicklung eine vorausschauende Beurteilung desProzessverhaltens. Zum Beispiel muss zur Beurteilung derProzesssicherheit das thermische Verhalten im Normalbetrieb und bei einerKiihlpanne abgeschatzt werden. Obwohl ausgereifte Methoden zurBeurteilung und Optimierung der thermischen Prozesssicherheit vorhandensind, werden sie allgemein erst zu spat auf der Zeitachse der Entwicklungin die Entscheidungsfindung miteinbezogen.Als Beitrag zur Schliessung solcher Liicken wird eine stufengerechteModellierung des auf der jeweiligen Entwicklungsstufe relevanten Systemsvorgeschlagen. Als Untersuchungsgegenstand steht der in derSpezialitatenchemie weitverbreitete Semibatchreaktor im Zentrum. ZurBeurteilung alternativer Synthesewege beziiglich ihres thermischen Risikosreicht in der Verfahrensforschung die Modellierung des adiabaten Systemsaus. In der Verfahrensentwicklung mussen zur Optimierung diephysikalisch-chemischen Vorgange inklusive der Reaktionsfuhrungmodelliert werden. Fur die in der Stufe der Anlageprojektierungstattfindende Konzipierung und Dimensionierung des Reaktors mussschliesslich ein Modell erstellt werden, welches das dynamische Verhaltendes Gesamtsystems inklusive Kuhlkreislauf und Regelsystem beschreibt.Die notwendigen thermodynamischen Daten sind oft aus der Literaturverfugbar. Kinetische Daten sind meist weder aus Literatur noch durchExperimente leicht zuganglich.Fur den Einsatz auf friihen Entwicklungsstufen wurde eine Methodeuntersucht, welche die Abschatzung der Eintrittswahrscheinlichkeit einesthermischen Runaways erlaubt. Die Methode basiert auf der Abschatzungder TMRad (time to maximum rate under adiabatic conditions) austemperaturprogrammierten DSC-Messungen (differential scanningcalorimetry). Da autokatalytisch ablaufende Reaktionen gesondertbetrachtet werden mussen, wurde weiter eine Methode zu derenfruhzeitigen Identification entwickelt. Durch die mathematischeBeschreibung der Messapparatur und von verschiedenen Reaktionstypenkonnten sowohl der adiabate Temperaturverlauf als auchtemperaturprogrammierte und isotherme DSC-Kurven simuliert werden.Durch Vergleich verschiedener Methoden zur Ermittlung der TMRadkonnte auf dieser Datenbasis die Zuverlassigkeit der Schatzmethode gezeigtwerden. Die Anwendung auf experimentelle Druck-Warmestau-Versucheund isotherme DSC Messungen zeigte eine gute Ubereinstimmung mit dendurch dynamische Simulation erhaltenen Resultaten.Fur die Entwicklung von Semibatch-Verfahren wird eine Methodikvorgeschlagen, welche die Optimierung auf der Basis dynamischerProzessmodellierung beinhaltet. Die Optimierung wird mit dynamischerProgrammierung durchgefuhrt. Die dazu notwendige Zielfunktion setztsich dabei aus einem Okonomieterm und einem Strafterm zusammen. DerStrafterm beschreibt die Abweichung von der einzuhaltendenRandbedingung. Als Randbedingungen wurden eine minimal akzeptierteTMRad und eine maximal abfuhrbare Warmeleistung im Normalbetriebgewahlt. Als Okonomieterm wurden die Ausbeute oder die Produktkostenverwendet. Anhand zweier Fallbeispiele konnte gezeigt werden, dass durchAnwendung eines modifizierten Dosierprofils eine bessere okonomischeLeistung moglich ist; und dies unter gleichzeitiger Einhaltung derRandbedingungen aus dem Sicherheitsbereich.Zur Beurteilung des dynamischen Verhaltens des sich aus Chemie,Verfahren und Apparatur zusammensetzenden Gesamtsystems wurde dasin der Optimierung verwendete Verfahrensmodell um das Apparatemodellerweitert. Schwerpunkt ist dabei die sich aus der Tragheit desKuhlsystems und aus dem Regelungskonzeptes ergebende Dynamik. Imbetrachteten Fallbeispiel ermoglichte dies die modellbasierte Uberprufungder Umsetzbarkeit einer Verfahrensalternative in einen bestehendenBetriebsreaktor und die Optimierung der Reglereinstellungen.Anhand von Fallbeispielen konnte gezeigt werden, dass dynamischeModellierung als standiger Begleiter bei einer Prozessentwicklung durchlaufende Anpassung der Modelle an die geforderte Komplexitat wertvolleDienste leistet.

Stufengerechte Beurteilung und Optimierung der thermischen Prozesssicherheit mittels dynamischer Modellierung

https://www.research-collection.ethz.ch/bitstream/20.500.11850/116479/1/eth-41119-01.pdf

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