Fließschemasimulation integrierter Fällprozesse am Beispiel einer modularen Mikroreaktionstechnikanlage

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Peukert
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238541592

Die Flüssigphasensynthese durch Fällung stellt einen wichtigen Prozess zur Herstellung von Partikeln verschiedenster Materialien dar. Dank des modularen Aufbaus und der damit verbundenen Flexibilität stehen zunehmend kontinuierlich betriebene Mikroreationstechnik (MRT)-Anlagen im Fokus. Fällungsprozesse sind aufgrund der sich überlagernden Bildungsmechanismen oftmals sehr dynamische Systeme und damit extrem sensitiv gegenüber kleinsten Änderungen der Prozessparameter. Ziel des vorliegenden Projekts ist es, ein umfangreiches, allgemein einsetzbares Modul für die dynamische Fließschemasimulation der Fällung in MRT-Anlagen in Dyssol zur Verfügung zu stellen, welches Vorwärtsrechnung und Optimierung ermöglicht. Um sicherzustellen, dass die Beschreibung der entsprechenden Vorgänge allgemein gehalten ist, werden verschiedene anorganische Materialsysteme genutzt und der Einfluss von Teilprozessen wie Mischen und Komplexbildung sowie verschiedener konkurrierender Feststoffbildungsprozesse berücksichtigt. Da oftmals zur Beschreibung der dispersen Phase die reine PGV (1D) nicht ausreicht, soll es am Ende der Förderung möglich sein, zwei disperse Eigenschaften (2D) zu berücksichtigen, um z.B. Größe eines Kerns und Dicke einer anorganischen Schale oder Formanisotropie aufgrund von anisotropem Wachstum oder orientierter Agglomeration zu beschreiben. Die oftmals auftretende Bildung mehrerer Feststoffe wird durch die parallele Bilanzierung mehrerer Phasen in einem reduzierten, numerisch effizienten Populationsbilanzmodell beschrieben. Entsprechend der über die gesamte Projektdauer angewandten Unterteilung in langsame, reaktionskontrollierte und schnelle, mischkontrollierte Systeme wird für die Erstellung des finalen Fällungsmoduls in Dyssol ein bereits bestehendes Fließschemamodul zur Beschreibung der Ostwaldreifung in MRT-Anlagen mit den Arbeiten zu schnellen mischkontrollierten Prozessen verbunden. Abhängig von den dominierenden Prozessen wird der jeweils am besten geeignete numerische Löser gewählt, um hohe numerische Stabilität sowie kurze Rechenzeiten zu garantieren. Abschließend wird ein Modul zur Prozessoptimierung in MRT-Anlagen entwickelt. Während Module für die übliche Fließschemasimulation lediglich die Auswirkung der Gesamtheit aller Prozessparameter auf die dispersen Eigenschaften betrachten, muss für die Optimierung die Auswirkung jedes einzelnen Prozessparameters in Form der zugehörigen Adjungierten bestimmt werden. Hierdurch kann bei der Optimierung ein gradientenbasiertes Verfahren angewandt werden. Dieses zeichnet sich gegenüber gradientenfreien Verfahren durch weit schnellere Konvergenz aus, was angesichts der Vielzahl an Optimierungsparametern innerhalb einer Fließschemasimulation eine Optimierung überhaupt erst ermöglicht. Somit ist es nach Abschluss des Forschungsvorhabens möglich, dynamische Fällungsprozesse in kontinuierlich betriebenen, modularen MRT-Anlagen durch Fließschemasimulationen zu modellieren und zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1679: Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr.-Ing. Doris Segets