Integrated Thermo-Economic Design of Processes and Molecules Using PC-SAFT

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 hangt 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 fur 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 quantizieren, 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 identiziert 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.