DE19812067A1

DE19812067A1 - Mikroplant zur experimentellen Simulation verfahrenstechnischer Prozesse

Info

Publication number: DE19812067A1
Application number: DE1998112067
Authority: DE
Inventors: Manfred J Hampe; Volker Baumbach; Oliver Conen; Michael Leidhold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-03-19
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 1999-10-14

Abstract

Die experimentelle Simulation von verfahrenstechnischen Prozessen ist nötig, um sowohl das Trennverfahren von unbekannten Komponenten, als auch um das Aufschaukeln von Spurenkomponentenkonzentrationen durch Rückführungen zu erkennen. DOLLAR A Zur Entwicklung verfahrenstechnischer Prozesse werden heute routinemäßig Miniplants eingesetzt mit Durchsätzen von typischerweise 1 L/h bis 4 L/h. Mikroplants sind um den Faktor 100 kleiner. Durch diese Verkleinerung ergeben sich folgende Vorteile: Geringere Kosten, schnellerer Bau der Anlagen und geringerer Stoffinventar. DOLLAR A Kernstück der Mikroplant ist die Manifold. Die Manifold hat eine Sandwichstruktur und dient zur Verschaltung der einzelnen Apparate. Sie besteht aus einzelnen Platten, die die Nuten zum Stofftransport eingebracht sind und durch Übereinanderlegen der Platten entsteht die Sandwichstruktur. In die Platten integriert sind auch die Aktoren und die Sensoren. An den Stirnseiten der Platten können über genormte Verbindungen verfahrenstechnische Apparate angeschlossen werden. DOLLAR A Als Destillationsapparat wird eine Spaltrohr-Kolonne verwendet. DOLLAR A Experimentelle Simulation verfahrenstechnischer Prozesse.

Description

Zur Entwicklung verfahrenstechnischer Prozesse werden heute routinemäßig Mini plants eingesetzt. Miniplants sind Laborapparaturen mit Durchsätzen von typischer weise 1 l/h bis 4 l/h. Insbesondere die Prozesse der thermischen Verfahrenstechnik, al so Destillation, Absorption, Adsorption und Flüssig-flüssig-Extraktion eignen sich zur Abbildung in Miniplants. Miniplants sind auch gut geeignet, um reaktive Stofftrenn prozesse wie Reaktivdestillationen oder Reaktivextraktionen im Experiment nachzu stellen. Experimentelle Simulationen von verfahrenstechnischen Prozessen sind so wohl nötig um das Trennverhalten von unbekannten Komponenten zu erkennen, als auch um das Aufschaukeln der Spurenkomponentenkonzentrationen durch Rückführ ungen zu erkennen.

An Laborsimulationen sind folgende Anforderungen zu stellen:

1. schneller Aufbau der Laborapparatur
2. weitgehend automatisierte Versuchsdurchführung
3. schnelle Einstellung des stationären Zustandes
4. wirklichkeitsgetreue Abbildung der Zusammensetzungen an den einzelnen Prozess strömen
5. möglichst geringes Stoffinventar
6. möglichst geringe Kosten
7. schneller Abbau der Laborapparatur.

Die oben genannten Anforderungen an Laborsimulationen lassen sich in Mikroplants realisieren. Mikroplants haben typischerweise Durchsätze von 10 bis 40 ml/h und sind somit um den Faktor 100 im Durchsatz kleiner als Miniplants. Destillationskolonnen können als Spaltrohr-Kolonnen ausgeführt werden. Zur Heizung des Verdampfers und Kondensation der Brüden können Peltier-Elemente eingesetzt werden. Die Stofftren nung vollzieht sich im Ringraum der Spaltrohr-Kolonne zwischen dem herablaufenden Flüssigkeitsfilm und dem aufsteigenden Dampf in dem aufgeprägten Temperaturgra dienten.

Es ist einfach, sich vorzustellen, dass mehrere dieser Kolonnen in einem Verbund zu sammengeschaltet werden und eine komplexe Anlage auf diese Art und Weise nach gebildet wird.

Zur Verschaltung der Anlage wird von der in der Großanlage und in der Miniplant übli chen Verrohrung abgesehen und ein sogenanntes Manifold verwendet. Das Manifold ist eine Sandwich-Struktur mit internen Verbindungen, die von Apparat zu Apparat führen. Die Leitungen erhält man, indem Nuten in einzelne Platten eingebracht werden und diese Platten anschließend übereinander angeordnet werden, so dass ein Sandwich entsteht. Der Vorteil eines Manifolds gegenüber einer Rohrleitungsverbindung ist sei ne automatisierbare Herstellung. Es lässt sich nämlich in einer CIM-Umgebung mit einem 3D-CAD-System entwerfen und von CNC-Maschinen anfertigen.

Sämtliche Aktoren, wie z. B. Pumpen, Ventile usw., können in das Manifold integriert werden, oder über entsprechende Anschlüsse extern betrieben werde. Ebenso können Sensoren wie Thermometer, Durchflussmesser usw. in das Manifold eingegliedert wer den. Durch die sehr kleinen Abmessungen der Mikroplant ist das Arbeiten im Bereich hoher Drücke problemlos möglich und stationäre Zustände stellen sich sehr schnell ein. Die Herstellung eines Manifolds ist mit den heute üblichen CNC-Maschinen innerhalb weniger Stunden möglich und besonders effizient, da es möglich ist, die Programmie rung der CNC-Maschine automatisch aus dem Verfahrensfließbild abzuleiten. Insge samt sollte sich bei der Verwendung einer Mikroplant eine Zeit und Kostenersparnis von ca. 90% gegenüber Aufbau und Betrieb einer Miniplant erreichen lassen.

Ausführungsbeispiel

Das Trennproblem besteht in der Trennung eines Methanol-Wasser-Gemisches, das Leichtsieder und Mittelsieder enthält, siehe das Fließbild Abb. 2.

Der Zulauf erfolgt in Kolonne K1, in der die Leichtsieder abgetrennt werden. Zur Ab trennung der Leichtsieder ist 1. Rücklauf und 2. Wasser als Extraktivrektifiziermittel erforderlich. In der zweiten Kolonne wird unter hohem Druck Methanol über Kopf abgenommen, aber die Trennung in dieser Kolonne ist nicht scharf, ein Teil des Me thanols wird mit dem Sumpfprodukt ausgeschleust. Kolonne K3 schließlich trennt bei Normaldruck Methanol von Wasser und als Seitenabzug können Mittelsieder erhalten werden. Das Wasser wird ausgeschleust bzw. rückgeführt.

Beschreibung des Manifold

Wird die gezeigte Prozessstruktur in ein Manifold projiziert, findet man alle Leitungen wieder, aber in der Projektion kreuzen sich einige Leitungen, siehe Abb. 3.

Das Manifold besteht nun aus drei Platten, von denen die mittlere Platte Durchbohrun gen enthält. In der dreidimensionalen Struktur können die Leitungen damit kreuzungs frei gefertigt werden. Bild 4 zeigt die Oberseite des Manifolds mit den eingefrästen Kanälen. An vier Stellen sind Durchgangsbohrungen gezeichnet.

Bild 5 zeigt die Unterseite des Manifolds ebenfalls mit den eingefrästen Kanälen und den Bohrungen.

In bestimmten Fällen ist es notwendig, Produktleitungen begleitzubeheizen. Eine Be gleitbeheizung ist in einem Manifold relativ einfach zu realisieren, indem in der dem Produktkanal benachbarten Mittelplatte ein Heizkanal eingefräst wird. In Abb. 6 ist der Produktkanal durch eine metallische Membran vom Kanal für den Wärmeträger getrennt.

Das Zusammenfügen der drei Platten und der Dichtungen führt zu der Sandwich-Struktur, die in Abb. 7 dargestellt ist.

Bild 8 zeigt die Explosionszeichnung des Manifolds.

In das Manifold integrierte Ventile sind in Bild 7 und Bild 8 zu sehen.

Claims

1. Mikroplants zur experimentellen Simulation verfahrenstechnischer Prozesse dadurch gekennzeichnet, dass Stofftrennapparate und/oder Stofftrennmaschinen miteinander verschaltet wer den, indem die zwischen den Stofftrennapparaten oder zum selben Stofftrenn apparat oder zur selben Stofftrennmaschine führenden Stofftransportleitung als Nuten und/oder Bohrungen in mindestens zwei, bevorzugterweise aber drei Plat ten aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen ausgeführt werden und die Platten zu einer Sandwich- Konstruktion, an deren Rand die Stofftrennappa rate und/oder Stofftrennmaschinen befestigt sind, zusammengefügt werden.

2. In die Platten der Sandwich- Konstruktion Pumpen und/oder Ventile und/oder Drosseln als Aktoren, und/oder Thermometer und/oder Manometer und/oder Durchflußmesser und/oder optische Signal- Geber/Aufnehmer als Sensoren und/oder Geräte zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Stoffströme in tegriert werden.

3. Begleitheizungen oder Begleitkühlungen für die stoffführenden Leitungen in die Sandwich-Konstruktion integriert werden, indem für die stoffführenden Leitun gen in derselben Platte und/oder bevorzugterweise in der angrenzenden Plat te parallel verlaufende Nuten für Wärme-/Kälteträgermedien gefertigt werden, wobei die Trennung von stoffführenden Kanälen und Wärme/Kälte-führenden Kanälen durch dünne metallische oder nichtmetallische Membranen erfolgt.

4. Die Begleitheizung/Kühlung durch elektrische Heiz- und Kühlkomponenten wie Heizdrähte und/oder Peltier-Elemente erfolgt.

5. Als Stofftrennapparate Rektifizierkolonnen, bevorzugterweise Spaltrohrkolonnen, Verwendung finden, bei denen die Beheizung des Sumpfes durch Induktionshei zung und/oder Peltier-Elemente und die Kondensation des Brüden durch Peltier-Elemente erfolgt.