Vernetzte multivariate Populationsbilanze mittels Monte Carlo Methoden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Einar Kruis
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238540741

Die zeitliche Entwicklung der Partikelgrößenverteilung ist in vielen Feldern der Natur- und Ingenieurs-Wissenschaft von großer Bedeutung, so zum Beispiel in der Beschreibung der Partikelbildung aus der Gasphase, dem Verbrennungsprozess, der Materialsynthese, dem Rauchgasreinigungsverfahren und vielen anderen verfahrenstechnischen Prozessen. Die Monte Carlo (MC) Methode ist eine stochastische Simulations-Methode zur Ermittlung der Partikelgrößenverteilung. Sie hebt sich von anderen Simulationsmethoden (Sektionale Methode, Momentenmethode usw.) insbesondere dadurch ab, dass sie per se diskrete Ereignisse modelliert und keine Vorannahmen über die Form der Partikelgrößenverteilungsfunktion benötigt. Darüberhinaus können weitere Merkmale der Partikel wie Ladung, Zusammensetzung, Form des Partikels oder allgemeine multivariate Eigenschaften in dem Objekt, welches ein Partikel repräsentiert, gespeichert werden ohne den Simulationsalgorithmus zu verändern - dadurch wird die Methode beliebig erweiterbar und flexibel. Dieses Forschungsvorhaben zielt auf die Entwicklung stochastischer numerischer Methoden für die Simulation einer multivariaten dispersen Phase im Rahmen einer Fließschemasimulation basierend auf den sequenziell-modularen Ansatz. Ein kompartimentelles System wird entwickelt, in dem der Partikelaustausch zwischen den Kompartimenten mittels stochastischer Methoden modelliert wird, beschränkt auf nächste Nachbar-Kompartimente. Mechanismen, die innerhalb einer Fließschemasimulation die Partikeleigenschaften ändern, sind Nukleation, Wachstum/Auflösung, Koagulation und Zerkleinerung. Der Transport als auch Gerätefunktionen wie das Sieben, Mischen, Sortieren, usw. können einfach umgesetzt werden in Wahrscheinlichkeitsfunktionen, die den Fluss zwischen den einzelnen Kompartimenten modellieren. Die Formulierung dieser Funktionen innerhalb einer MC Simulation ändert die Partikelzahl, so dass Strategien gebraucht werden welche die Partikelzahl anpassen um die notwendige Genauigkeit zu gewährleisteten. In der ersten Antragsperiode stand die MC Simulation der Nukleation in Verbindung mit Koagulation im Mittelpunkt, in der zweiten Periode wurde diese um einen Wachstum/Auflösung Prozess gekoppelt an eine kontinuierliche Phase erweitert. Außerdem wurde eine MC-Formulierung für die Zerkleinerung entwickelt und validiert. Die entwickelten, parallellisierten Algorithmen für das Zusammenführen und Auftrennen von Simulationspartikeln werden gebraucht für den interkompartimentellen Transport, geplant für die letzte Antragsphase. Darüber hinaus werden kompartimentelle Modelle einer Kugelwerksmühle und eines Kristallisators simuliert werden, basierend auf der MC Simulation der gleichzeitigen Koagulation, Nukleation, Zerkleinerung und Wachstum (bzw. Verdampfung). Beispielhafte Fließschemasimulationen werden für diese Prozesse modelliert werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1679: Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse