Prozesssimulation
Die Arbeit von Prozessingenieuren kann nach dem Stand der Technik effizient durch Software zur Prozessimulation unterstützt werden. Dies gilt insbesondere in den Projektphasen der Vorplanung und der Basisplanung. Die Aufgabe kann dabei komplex sein, wie einen ganzen Prozess oder eine Teilanlage zu beschreiben oder es geht nur um einen überschaubaren Teilaspekt, wie die Anzahl optimaler Stufen bei der Verdichtung eines Gases.
Die Simulation verfahrenstechnischer Prozess erfolgt meist für eine stationäre Betriebsweise oder einfache instationäre Prozesse wie absatzweise betriebene Reaktoren und Kolonnen. Die instationäre Simulation ganzer Prozesse oder Teilanlagen erfolgt weniger häufig und ist wegen der dabei auftretenden numerischen Fragestellungen eher ein Arbeitsgebiet für Spezialisten.
Bei der Bilanzierung verfahrenstechnischer Prozesse und der Auslegung von Apparaten und Maschinen sind verlässlich thermodynamische Modelle (z.B. NRTL oder Unifac) zur Berechnung von Aktivitätskoeffizienten sowie Stoffwerte für Reinstoffe und verlässliche Mischungsregeln für Stoffwerte von Mehrstoffgemischen die essentielle Basis. Hier ist es besonders wichtig, Sensitivitätsstudien durchzuführen oder eigene experimentelle Daten importieren zu können.
Die heute auf dem Markt etablierten Programme zur Prozesssimulation sind überwiegend modular aufgebaut. Dabei wird der zu untersuchende Prozess in Form eines Simulationsfließbildes beschrieben. Die verwendeten Symbole für Apparate (z.B. Rektifikationskolonne) und Maschinen (z.B. Pumpe) sind an die Gewohnheiten zur Darstellung von Verfahrensfließbildern angelehnt. Dabei muss beachtet werden, dass zwar hinter jedem Symbol ein Modell hinterlegt ist, jedoch handelt es sich um Modelle für verfahrenstechnische Grundoperation. Ein realer Apparate, wie z.B. ein Rührkesselreaktor für eine homogene Reaktion in der Flüssigphase, benötigt zur Beschreibung bzw. zur Modellierung eine Kombination mehrerer Modelle, in diesem Fall die Modelle "Mischer", "kinetischer Reaktor", "Flash" (Phasengleichgewicht Flüssigkeit und Dampf) und "Wärmeübertragung".
Die mit Hilfe der Prozessimulation zu lösenden Probleme sind z.B.:
- die Berechnung von Stoffwerten von Stoffmischungen
- die Lösung der Bilanzgleichungen für Material und Enthalpie (auch bei Rückführungen)
- die überschlägige Dimensionierung von Apparaten und Maschinen
- die rigorose Modellierung von Grundoperationen
- die Schätzung der fixen Investition und der Produktionskosten
Die folgenden Modelle gehören zur Standardausstattung eines Prozesssimulators:
- Pumpe
- Verdichter und Ventil
- Rohrleitung
- Wärmeübertrager
- Ofen
- Reaktor (CSTR und PFTR)
- Komponententrenner (black box)
- Stromteiler
- Flash (Phasengleichgewicht)
- Kolonne (Absorption und Rektifikation)
- Extraktion
- Trockner
- Kristallisator
- Gaszyklon
- Zerkleinerung
- Sieb
Ergänzt werden die Standardmodelle durch Möglichkeiten, eigene Modelle über z.B. eine Schnittstelle zu MS Excel einzubinden.
Man kann mit den meisten kommerziellen Programmen zur Prozessimulation zwar auch instationäre Prozesse beschreiben. In der Regel handelt es sich aber um komplexere Teilaspekte eines Prozesses, wobei Art und Form der Bilanzgleichungen es notwendig machen, eher aufwändigere numerische Verfahren zu nutzen.
Zur Lösung einstationärer Bilanzen oder partieller Differentialgleichungssysteme (PDE) hat es sich bewährt, das Programm Matlab bzw. die kostenfreie Variante "Freemat" zu nutzen.