Bausteinbasierte automatische Prozesssynthese intensivierter Trennprozesse

• Antragsteller: Dr.-Ing. Erik Esche; Professor Dr.-Ing. Mirko Skiborowski
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523327609

Die aktuelle Energieknappheit und das Ziel die Treibhausgasemissionen drastisch zu reduzieren erfordern innovative Lösungen, die das volle Potenzial der Prozessintensivierung (PI) ausschöpfen. Da Trennprozesse für den Großteil des Energiebedarfs der chemischen Industrie verantwortlich sind, und diese ein Drittel des Energiebedarfs des verarbeitenden Gewerbes in Deutschland und ein Sechstel des Energieverbrauchs in den USA verantwortet, ist es besonders wichtig, intensivierte Trennverfahren zielgerichtet zu identifizieren und die in den letzten Jahren entwickelten PI-Optionen sowie darüberhinausgehende innovative Konzepte zu nutzen. Bestehende Methoden zur Prozesssynthese können jedoch keine wirklich neuartigen Prozesse entwickeln und schließen viele PI-Konfigurationen aus, da sie sich entweder auf vereinfachte Modelle oder einen begrenzten Suchraum stützen. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer auf phänomenbasierten Bausteinen (PBB) aufbauende optimierungsbasierte Synthesemethode, welche eine automatische Synthese intensivierter Trennprozessen auf Basis rigoroser thermodynamischer und kinetischer Modelle ermöglicht. Dabei soll durch Kopplung automatischer Codegenerierung, sukzessiver Modellverfeinerung und Superstrukturoptimierung der üblicherweise notwendige Kompromiss zwischen Allgemeinheit, Genauigkeit und Lösbarkeit überwunden werden. Syntheseprobleme werden dazu als generische Superstrukturen formuliert, die mehrere PBB in der plattformunabhängigen Metasprache MathML/XML als logisch-algebraische Gleichungssysteme verbinden und die automatische Generierung und Export von Modellcode für verschiedene Implementierungen ermöglichen (Allgemeinheit). Unterschiedliche PBB-Modellformulierungen ermöglichen dabei einen polylithischen Modellierungsansatz, der den Entwurf von mehrstufigen Prozessen auf der Basis rigoroser thermodynamischer Modelle realisiert (Genauigkeit). Einzelne Optimierungsprobleme werden in einem reduzierten Raum unter Verwendung externer/impliziter Funktionen gelöst, wobei die Problemgröße durch die Nutzung von Paradigmen der disjunkten Programmierung weiter reduziert wird (Lösbarkeit). Die Lösung der komplexen Syntheseprobleme erfolgt entweder mittels eines logikbasierten deterministischen oder hybriden Optimierungsansatzes. Dieser innovative Ansatz wird zunächst für die Trennung nicht-idealer und azeotroper Gemische mittels energieeffizienter Trennverfahren entwickelt und illustriert. Der so entwickelte Gesamtansatz ermöglicht erstmalig eine übertragbare und automatisierte Lösung für die Synthese hochintegrierter Trennprozesse auf Grundlage rigoroser thermodynamischer Modelle, welche der Genauigkeit industriell eingesetzter Prozesssimulatoren entsprechen. Hierdurch wird eine direkte Nutzung der optimierungsbasierten Prozesssynthese auf praktische Probleme ermöglicht ohne vertiefte Kenntnisse und Erfahrungen in der Formulierung und Lösung von Optimierungsproblemen und weitgehender Modellvereinfachungen zu erfordern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen