Modellbasierter Entwurf optimaler Reaktoren und Prozesse

Moderne chemische Prozesse stellen vollkommen neue Anforderungen an den Reaktor- und Prozessentwurf. So stehen Nachhaltigkeit, hohe Energieeffizienz und ein geringer Rohstoffverbrauch immer mehr im Vordergrund. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden bedarf es eines neuen Entwurfskonzeptes, das ein tiefgreifendes Verständnis der ablaufenden physikalischen und chemischen Vorgänge ermöglicht und innovative Prozessintensivierungsmaßnahmen einbezieht. Derartige Anforderungen finden sich insbesondere, wenn komplexe Reaktionssysteme wie reaktive Mehrphasensysteme und große Reaktionsnetzwerke auftreten. Zudem erlaubt das Konzept die Berücksichtigung und Bewertung neuartiger Katalysatorträger wie keramische und metallische Schaumstrukturen. Aus diesen Gründen wird in der Arbeitsgruppe „Katalytische Reaktoren und Prozesstechnik“ zu modellbasierten Entwurfsmethoden auf der Grundlage des Konzeptes der Elementaren Prozessfunktionen (EPF) geforscht und ihre Anwendbarkeit untersucht.

Im Rahmen der Elementaren Prozessfunktionen geht man zunächst davon aus, dass sich ein Prozess auf abstrahierter Ebene als Weg eines Fluidelements durch den Zustandsraum beschreiben lässt, wobei sich der Zustand des Fluidelements durch verschiedene Flüsse gezielt verändern lässt. Ziel dabei ist es, zu jedem Zeitpunkt den optimalen Zustand einzustellen, also die optimale Route des Fluidelements durch den Zustandsraum zu realisieren. Hierzu werden verschiedene Maßnahmen zur Prozessintensivierung umgesetzt, die darauf abzielen, Flüsse auf gezielte Weise zu verändern. Schließlich werden die hierfür am besten geeigneten Steuervariablen ermittelt und die technische Umsetzung in ein konkretes Reaktordesign evaluiert.

Die zugrunde liegende Entwurfsmethode basiert auf der rigorosen Modellierung des Fluidelements mittels Bilanzgleichungen, thermodynamischer Zusammenhänge sowie kinetischer Ansätze für Reaktion und Transportprozesse. Für ein systematisches Vorgehen und eine optimale Auswahl von Steuergrößen wird die Optimierung des Reaktionssystems in drei Abschnitte unterteilt, an deren Ende letztlich die technische Auslegung des Reaktors bzw. Prozesses steht. Bei der Optimierung kommen dabei State-of-the-Art Software und Lösungsalgorithmen zum Einsatz.

Erforderliche Reaktionskinetiken werden in unserer Arbeitsgruppe durch kinetische Modellierung bestimmt, während die Realisierung optimaler Transportcharakteristiken durch computergestützte Gestaltung von Katalysatorträgern erfolgt. Die Anwendung der beschriebenen Methode macht die Entwicklung maßgeschneiderter Reaktoren und Prozesse möglich. Mit den Mitteln der additiven Fertigung ist es dann z. B. möglich, neuartige Designs auf Grundlage der Optimierung konstruktiv zu realisieren. Um die praktische Anwendbarkeit der neuartigen Reaktoren zu validieren werden experimentelle Untersuchungen an den aus additiver Fertigung (VerTec) hervorgegangenen Reaktorkomponenten durchgeführt. Ergebnisse aus den Experimenten können dann wiederum in das mathematische Prozessmodell einfließen und somit zu dessen Validierung bzw. Weiterentwicklung dienen.

Förderungen und Kooperationen

Exzellenzcluster „Engineering of Advanced Materials“ (EAM)

Fachgruppe "Process Systems Engineering", Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme, Magdeburg

Helmholtz-Energie-Allianz "Energieeffiziente Chemische Mehrphasenprozesse"

Industriepartner

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