Shop : Details
Shop
Details
Dezember 2011
Peter Heidebrecht
Model hierarchies for chemical process design
Die mathematische Modellierung ist ein unverzichtbares Werkzeug für den Entwurf chemischer Prozesse. Sowohl bei der Auslegung etablierter Prozesse als auch bei der Entwicklung neuer Systeme werden Modelle für eine große Vielfalt von Anwendungen benötigt. Da jede Anwendung individuelle Forderungen an die zu verwendenden Modelle stellt, ist ein ähnlich breites Spektrum an Modellen für die Entwicklung eines Prozesses notwendig. Die Herleitung, Implementierung und Validierung dieser Modelle bedeutet einen nicht zu unterschätzenden Aufwand.
Der Fokus der chemischen Prozessentwicklung hat sich in den letzten beiden Jahrzehnten zu Systemen verlagert, die ein hohes Maß an Komplexität aufweisen. Diese Komplexität kann zum Beispiel auf die Integration mehrerer Prozesse, auf inhärent dynamischen Betrieb oder auf die Realisierung einer gezielten Prozessführung zurückzuführen sein. Einerseits ist die Entwicklung solcher Systeme ohne die Hilfe mathematischer Modellierung nicht denkbar. Andererseits steigt aber der Modellierungsaufwand mit der Komplexität der Systeme. Hinzu kommt eine immer stärker werdende Integration von unterschiedlichen Größen- und Zeitskalen im Prozessentwurf, beispielsweise wenn das Reaktorverhalten mit Hilfe der Mikrostrukturierung des Katalysators optimiert werden soll. Dies erfordert die Verknüpfung von Modellen auf verschiedenen Größenskalen.
Eine sinnvolle Strategie zur effizienten Modellierung komplexer Systeme stellen Modellhierarchien dar. Deren grundlegende Idee ist, Modelle für unterschiedliche Verwendungszwecke nicht unabhängig von einander zu erstellen, sondern mit Hilfe von Methoden der Modellreduktion von einander abzuleiten. Auf diese Weise wird nicht nur der Modellierungsaufwand verringert, sondern darüber hinaus hängen die resultierenden Modelle zusammen, da sie auf ähnlichen Annahmen basieren. Dadurch können Ergebnisse, die mit einem Modell erzielt werden, auf andere Modelle der gleichen Hierarchie übertragen werden.
In der vorliegenden Arbeit wird das Konzept der Modellhierarchien angewendet, um Modelle für den Entwurf von vier unterschiedlichen Prozessen zu entwickeln. Diese Beispiele umfassen einen zyklisch betriebenen Festbettreaktor zur Reinigung von Wasserstoff, einen strukturierten Reformierungsreaktor mit ausgeprägtem Mehrskalencharakter, den optimalen Entwurf von dynamischen Experimenten zur Bestimmung von reaktionskinetischen Parametern sowie die stoffliche Integration von Vergasungsreaktoren in stationären Kraftwerken mit Hochtemperaturbrennstoffzellen.
Die in dieser Arbeit gezeigten Modellhierarchien sind Beispiele für die Entwicklung physikalisch-chemisch motivierter Modelle mit einer klaren Anwendungsorientierung. Die Verwendungszwecke der Modelle sind klar definiert und von einander abgegrenzt. Die Kompatibilität der Modelle wird durch die Übertragung von Ergebnissen innerhalb einer Hierarchie in mehreren Beispielen belegt. Die meisten der Methoden zur Modellreduktion, die Modelle und deren Anwendungen sind auf andere Systeme übertragbar. Somit geht der Nutzen der hier gezeigten Modelle deutlich über die hier präsentierten Anwendungen hinaus.
Der Fokus der chemischen Prozessentwicklung hat sich in den letzten beiden Jahrzehnten zu Systemen verlagert, die ein hohes Maß an Komplexität aufweisen. Diese Komplexität kann zum Beispiel auf die Integration mehrerer Prozesse, auf inhärent dynamischen Betrieb oder auf die Realisierung einer gezielten Prozessführung zurückzuführen sein. Einerseits ist die Entwicklung solcher Systeme ohne die Hilfe mathematischer Modellierung nicht denkbar. Andererseits steigt aber der Modellierungsaufwand mit der Komplexität der Systeme. Hinzu kommt eine immer stärker werdende Integration von unterschiedlichen Größen- und Zeitskalen im Prozessentwurf, beispielsweise wenn das Reaktorverhalten mit Hilfe der Mikrostrukturierung des Katalysators optimiert werden soll. Dies erfordert die Verknüpfung von Modellen auf verschiedenen Größenskalen.
Eine sinnvolle Strategie zur effizienten Modellierung komplexer Systeme stellen Modellhierarchien dar. Deren grundlegende Idee ist, Modelle für unterschiedliche Verwendungszwecke nicht unabhängig von einander zu erstellen, sondern mit Hilfe von Methoden der Modellreduktion von einander abzuleiten. Auf diese Weise wird nicht nur der Modellierungsaufwand verringert, sondern darüber hinaus hängen die resultierenden Modelle zusammen, da sie auf ähnlichen Annahmen basieren. Dadurch können Ergebnisse, die mit einem Modell erzielt werden, auf andere Modelle der gleichen Hierarchie übertragen werden.
In der vorliegenden Arbeit wird das Konzept der Modellhierarchien angewendet, um Modelle für den Entwurf von vier unterschiedlichen Prozessen zu entwickeln. Diese Beispiele umfassen einen zyklisch betriebenen Festbettreaktor zur Reinigung von Wasserstoff, einen strukturierten Reformierungsreaktor mit ausgeprägtem Mehrskalencharakter, den optimalen Entwurf von dynamischen Experimenten zur Bestimmung von reaktionskinetischen Parametern sowie die stoffliche Integration von Vergasungsreaktoren in stationären Kraftwerken mit Hochtemperaturbrennstoffzellen.
Die in dieser Arbeit gezeigten Modellhierarchien sind Beispiele für die Entwicklung physikalisch-chemisch motivierter Modelle mit einer klaren Anwendungsorientierung. Die Verwendungszwecke der Modelle sind klar definiert und von einander abgegrenzt. Die Kompatibilität der Modelle wird durch die Übertragung von Ergebnissen innerhalb einer Hierarchie in mehreren Beispielen belegt. Die meisten der Methoden zur Modellreduktion, die Modelle und deren Anwendungen sind auf andere Systeme übertragbar. Somit geht der Nutzen der hier gezeigten Modelle deutlich über die hier präsentierten Anwendungen hinaus.
Schlagwörter: Verfahrenstechnik; Systemverfahrenstechnik; model hierarchies; model based process design; model reduction
Forschungsberichte aus dem Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme
Herausgegeben von Prof. Dr. Peter Benner, Prof. Dr.-Ing. Udo Reichl, Prof. Dr.-Ing. Andreas Seidel-Morgenstern und Prof. Dr.-Ing. Kai Sundmacher, Magdeburg
Band 31
Verfügbare Online-Dokumente zu diesem Titel
Sie benötigen den Adobe Reader, um diese Dateien ansehen zu können. Hier erhalten Sie eine kleine Hilfe und Informationen, zum Download der PDF-Dateien.
Bitte beachten Sie, dass die Online-Dokumente nicht ausdruckbar und nicht editierbar sind.
Bitte beachten Sie auch weitere Informationen unter: Hilfe und Informationen.
Bitte beachten Sie auch weitere Informationen unter: Hilfe und Informationen.
| Dokument |  | Gesamtdokument | ||
| Dateiart |  | |||
| Kosten |  | 37,35 € | ||
| Aktion |  | Zahlungspflichtig kaufen und download der Datei | ||
| Dokument |  | Inhaltsverzeichnis | ||
| Dateiart | | |||
| Kosten |  | frei | ||
| Aktion |  | Download der Datei | ||
Benutzereinstellungen für registrierte Online-Kunden (Online-Dokumente)
Sie können hier Ihre Adressdaten ändern sowie bereits georderte Dokumente erneut aufrufen.
Benutzer
Nicht angemeldet
Export bibliographischer Daten
Shaker Verlag GmbH
Am Langen Graben 15a
52353 Düren
Am Langen Graben 15a
52353 Düren
Mo. - Do. 8:00 Uhr bis 16:00 Uhr
Fr. 8:00 Uhr bis 15:00 Uhr
Fr. 8:00 Uhr bis 15:00 Uhr
Kontaktieren Sie uns. Wir helfen Ihnen gerne weiter.
