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Model hierarchies for chemical process design

Shaker,
Buch
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Kurzbeschreibung

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.

Details
Schlagworte

Titel: Model hierarchies for chemical process design
Autoren/Herausgeber: Peter Heidebrecht
Aus der Reihe: Forschungsberichte aus dem Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme
Ausgabe: 1., Aufl.

ISBN/EAN: 9783844006384

Seitenzahl: 214
Format: 21 x 14,8 cm
Produktform: Buch
Gewicht: 321 g
Sprache: Englisch

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