1679: Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse - DynSim-FP

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Stefan Heinrich

Verfahrenstechnische Prozesse der Stoff- und Energiewandlung bestehen oft aus vielen einzelnen Teilschritten, die durch Stoff-, Energie- und Informationsflüsse miteinander vernetzt sind. Die Vernetzung der einzelnen Komponenten hat erhebliche Auswirkungen auf das dynamische Verhalten und die Stabilität derartiger Prozesse. Zur Auslegung und Optimierung, insbesondere im Hinblick auf die Schonung der Energie- und Rohstoffressourcen, sollten deshalb nicht nur die einzelnen Komponenten simuliert werden, sondern auch das dynamische Verhalten des Gesamtprozesses. Während dies in der Fluidverfahrenstechnik Stand der Technik ist und unterschiedliche Tools zur dynamischen Fließschemasimulation kommerziell verfügbar sind, fehlen in der Feststoffverfahrenstechnik Programmsysteme und dynamische Modelle, die ohne Beschränkungen auf spezielle Anwendungen zur dynamischen Fließschemasimulation genutzt werden können. Grund hierfür ist die komplexe Beschreibung von Feststoffen mit ihren multivariaten dispersen Eigenschaften und der zugehörigen Prozesse zur Umwandlung von Feststoffen.

Das zentrale Ziel des Schwerpunktes ist es, numerische Werkzeuge für eine dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse zu schaffen. Hierzu sollen dynamische Modelle der unterschiedlichen Apparate und Maschinen der Feststoffverfahrenstechnik formuliert und implementiert werden. Benötigt werden physikalisch begründete, prädiktive Modelle, die eine ausreichend genaue Simulation des Prozesses erlauben und hierbei den Einfluss aller relevanten Parameter berücksichtigen. Im Hinblick auf die Simulation vernetzter Feststoffprozesse ergeben sich einige Anforderungen an diese Modelle. Die Modelle sollen einen möglichst weiten Einsatzbereich haben, insbesondere sollten sie nicht auf bestimmte Stoffe oder Stoffsysteme beschränkt sein. Auch müssen die dispersen Eigenschaften der Feststoffe berücksichtigt werden. Dies ist nicht nur die Korngrößenverteilung, auch weitere Größen, wie die Zusammensetzung, die Dichte und die Kornform können Verteilungen unterliegen. Weiterhin müssen bei den meisten Prozessen die Interaktionen mit der umgebenden fluiden Phase berücksichtigt werden; auch bezüglich der fluiden Phase darf es keine Beschränkung auf bestimmte Stoffe geben.

Das Forschungsprogramm des SPP ist in drei Bereiche aufgestellt:

A – Neue dynamische, physikalisch basierte Prozessmodelle für Maschinen und Apparate

Damit die Modelle einen breiten Parameterbereich abdecken und prädiktiv eingesetzt werden können, muss eine klare Unterscheidung zwischen den Eigenschaften des behandelten Feststoffs (Materialfunktion) und den Eigenschaften der Maschine bzw. des Apparates einschließlich der Ausrüstung und Betriebsweise (Apparate-/Maschinenfunktion) erfolgen.

B – Stoffmodelle in der Feststoffverfahrenstechnik

Die Entwicklung neuer Stoffmodelle oder -gesetze dient der Ermittlung der Modellparameterwerte sowie der Berechnung der Produktqualität auf Basis von dispersen, über die dynamischen Prozessmodelle berechneten Eigenschaften, wie der Partikelgrößenverteilung.

C – Algorithmen und Prozesssimulation

Die Modellierung der betrachteten Prozesse führt auf Populationsbilanzsysteme. Diese koppeln Gleichungen zur Massen-, Energie- und Impulserhaltung mit Gleichungen zur Beschreibung der Populationen.

Am Ende der Projektlaufzeit (6 Jahre) sollen die entwickelten Modelle und Methoden in eine gemeinsame Laufzeitumgebung implementiert werden und standardisierte Schnittstellen benutzen, sodass eine geschlossene Simulation von vernetzten Prozessen exemplarisch durchgeführt werden kann. Die Definition der Schnittstellen soll im Rahmen eines zentralen Projektes in Zusammenarbeit mit allen Projektpartnern erfolgen.