Superstruktur-Instanz zur Trennung eines binären Gemisches mit zwei Modellbausteinen
Quelle: BAM
Diese Arbeit erweitert einen bestehenden Ansatz zur computergestützten Entwicklung chemischer Prozesse, indem sie ihn in ein neuartiges mathematisches Framework integriert. Das Konzept kombiniert Optimierungsmethoden mit einer Modellierung, die auf grundlegenden physikalisch-chemischen Phänomenen basiert. Ziel ist es, aus einer Vielzahl möglicher Prozesskonfigurationen jene Varianten zu identifizieren, die sowohl technisch umsetzbar als auch wirtschaftlich und energetisch effizient sind.
Ein zentraler Bestandteil des entwickelten Verfahrens ist ein mehrschichtiges Mixed-Integer Nonlinear Programming (MINLP)-Framework, das die Entscheidungsfindung auf verschiedenen Ebenen der Modellierung und Optimierung unterstützt. Um Konsistenz innerhalb dieser komplexen Berechnungsstruktur zu gewährleisten, wurde ein standardisiertes Datenmodell im Format Mathematical Markup Language (MathML) und Extensible Markup Language (XML) entwickelt. Dieses ermöglicht den reibungslosen Austausch und die fehlerfreie Verarbeitung von Modell- und Simulationsdaten zwischen den verschiedenen Softwarekomponenten.
Das neue Verfahren verfolgt zwei zentrale Ziele: Zum einen wird eine hohe physikalische Genauigkeit durch die Integration thermodynamisch fundierter Modelle gewährleistet. Zum anderen ermöglicht eine flexible mathematische Struktur die Untersuchung einer Vielzahl potenzieller Prozessvarianten. Ein solches Modellierungsverfahren eröffnet einen umfassenden Suchraum für mögliche Prozesskonfigurationen. Allerdings stellt die Vielzahl an Variablen und Nebenbedingungen eine enorme rechnerische Herausforderung dar. Um diese zu bewältigen, wurde ein Mechanismus zur strukturellen Vorauswahl entwickelt. Dieser erlaubt es, nicht realisierbare Prozessalternativen bereits frühzeitig anhand logischer Regeln und graphentheoretischer Analysen auszusortieren, ohne dass sämtliche Berechnungen für das vollständige Optimierungsmodell durchgeführt werden müssen.
Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Ansatzes wird anhand zweier herausfordernder Beispiele demonstriert. Im ersten Fall wird die Trennung eines Gemischs aus Benzol und Toluol untersucht, während im zweiten Szenario die Fraktionierung einer Mischung aus n-Pentan, n-Hexan und n-Heptan analysiert wird. Für beide Prozesse wurden mathematische Superstrukturen mit zwei beziehungsweise vier phänomenbasierten Modellen formuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Optimierungsverfahren sowohl physikalisch konsistente als auch effiziente Prozesskonzepte identifizieren kann. Besonders das strukturierte Screening reduziert den Rechenaufwand erheblich, indem es nicht realisierbare Alternativen frühzeitig ausschließt.
Insgesamt trägt diese Methodik dazu bei, die computergestützte Entwicklung chemischer Prozesse weiter zu automatisieren und zu verbessern. Sie stellt einen vielversprechenden Ansatz für zukünftige Anwendungen in der chemischen Verfahrenstechnik dar, insbesondere in Bereichen, in denen innovative und energieeffiziente Trennverfahren gefragt sind.
Optimization-based process synthesis by phenomena-based building blocks and an MINLP framework featuring structural screening
David Krone, Erik Esche, Mirko Skiborowski, Jens-Uwe Repke
Computers & Chemical Engineering, Volume 194, March 2025