Detailseite
Projekt
Modellbasiertes Konzept für den dynamischen und effizienten Betrieb von Flüssig/flüssig Mixer-Settler Systemen
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professorin Dr. Steffi Knorn; Professor Dr.-Ing. Matthias Kraume
Fachliche Zuordnung
Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504858152
Rührbehälter stellen vermutlich den am häufigsten eingesetzten Apparat in der Prozessindustrie dar und werden z.B. für Flüssig/flüssig Extraktionen eingesetzt. Hierbei müssen die beiden Phasen vor der Weiterverarbeitung in einem nachgeschalteten Abscheider getrennt werden. Der effiziente Betrieb dieser extraktiven Flüssig/flüssig-Systeme in Mixer-Settler-Systemen gestaltet sich aufgrund gegensätzlicher Anforderungen der beiden Prozessschritte herausfordernd. Für den Stofftransport im Rührbehälter sind kleine Tropfen und eine enge Tropfengrößenverteilung optimal. Im Gegensatz dazu, sind für eine schnelle Phasenseparation im Abscheider große Tropfen vorteilhaft. Dieser Konflikt wird u.a. von der Rührerdrehfrequenz, dem Dispersphasenanteil, Volumenströmen und Verweilzeiten beeinflusst. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines robusten und dynamischen Prozesssteuerungskonzepts basierend auf einem geeigneten Systemmodell. Der neuartige Optimierungsansatz dieses Projekts besteht darin, das Potenzial des dynamischen Betriebs von Mixer-Settlern basierend auf einer kontrollierten Variation von Durchflussraten und Rührerdrehzahl zu identifizieren. Die erste Projektphase konzentriert sich auf den Rührbehälter. Zu Beginn werden die verwendeten Stoffsysteme aus einer polaren kontinuierlichen Wasserphase und einer unpolaren dispergierten organischen Phase mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften hinsichtlich ihres Koaleszenz- und Stofftransportverhaltens charakterisiert (AP1). Für die Entwicklung des Systemmodells und die Prozesssteuerung werden schnelle und reproduzierbare Inline-Messverfahren für die Tropfengrößenverteilungen und den Stofftransport etabliert, um experimentelle Daten für die Simulation und Modellierung des Prozesses annähernd in Echtzeit bereitzustellen (AP2). Zunächst wird ein Modell zur Prozesssteuerung für den Rührbehälter im Batchbetrieb entwickelt (AP3). Tropfengrößenverteilungen und Stofftransportraten werden für spezifische Prozessparameter gemessen. Simulationen erfolgen mittels der Populationsbilanzen, um die Modellparameter für Bruch und Koaleszenz zu bestimmen. Die Sensitivität dieser Parameter wird unter dynamischen Bedingungen analysiert. Mit Hilfe von Online-Optimierungsverfahren zur Versuchsplanung werden geeignete Parameter für die Prozessmodellierung und -steuerung ermittelt. Die entwickelte modellbasierte Prozesssteuerung wird dann anhand von experimentellen Daten aus einem kontinuierlich betriebenen Rührbehälter validiert und angepasst, um dynamische Änderungen und Störungen der Durchflüsse und Konzentrationen im Zulauf des Rührbehälters zu berücksichtigen (AP4). Dabei werden sowohl Model Predictive Control als auch klassische Regelungsansätze verwendet. In der zweiten Förderperiode wird das Regelungskonzept auf die gesamte Prozesskette eines Mixer-Settler-Systems erweitert.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Mitverantwortlich
Dr.-Ing. Jörn Villwock
