Gekoppelte Simulation von Partikelpopulationen in turbulenten Strömungen

Teilprojekt: Turbulente Strömungen

 

Gefördert durch:         Bundesministerium für Bildung und Forschung

Förderungszeitraum:  01.07.2007-31.05.2010

Bearbeiter:                  Carina Suciu

Projektpartner:

  • Prof. Dr. L. Tobiska (Koordinator)
    Institut für Analysis und Numerik

    Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

     
    • Prof. Dr. W. Hackbusch
      Fachgruppe Wissenschaftlisches Rechnen

      MPI für Mathematik in der Naturwissenschaften, Leipzig

       

    Industriepartner:

    Gesamtziel:

    Das vorgelegte Projekt verfolgt das Ziel, neue mathematische Methoden zur Simulation von chemischen Produktionsprozessen zu entwickeln, in denen eine Partikelpopulation auftritt, deren Zustand durch Eigenschaftsverteilungen als Funktion der Zeit, der Raumkoordinaten des Prozesses und den Eigenschaftskoordinaten der Partikel charakterisiert ist. Das Verhalten derartiger Prozesse wird durch gekoppelte Systeme, bestehend aus der Populationsbilanz für die Partikel und den Bilanzgleichungen für Masse, Energie und Impuls (turbulentes Strömungsfeld) der kontinuierlichen Phase, in welche die Partikel eingebettet sind, beschrieben. Aus mathematischer Sicht liegen gekoppelten Systeme von partiellen Integro-Differentialgleichungen vor. Die Modellierung und die Lösung dieser gekoppelten Systeme bildet für die Mathematik eine große Herausforderung, der sich die Projektpartner stellen wollen.

    Die zu entwickelnden neuen mathematischen Lösungsmethoden sollen implementiert und zur Entwickelung eines effizientes und akkuraten Prototypen-Simulators für gekoppelte Populationsbilanzen in turbulenten Strömungsfeldern genutzt werden. Dieser Simulator soll zur Analyse und Führung eines konkreten industriellen Kristallisationsprozesses, der Gewinnung von hochreinem Harnstoff mittels Kühlungskristallisation, beim Industriepartner (BASF AG) eingesetzt werden. Um ein hohe Prädiktionsgenauigkeit und Realitätsnähe der Simulation zu erreichen, ist es unabdingbar, die unterlagerten physikalischen-chemischen Grundphänomene des betrachten Kristallisationsprozesses in maßgeschneiderten Laborexperimenten separat zu vermessen und hinsichtlich ihrer kinetischen Gesetzmäßigkeiten sorgfältig zu modellieren. Die Integration der so gewonnenen Kinetiken in den gekoppelten Simulator liefert Voraussagen, die mit den Messdaten des industriellen Produktionsprozesses zu vergleichen sind (experimentelle Validierung).

    Partikel erzeugende Prozesse, wie z.B. die Kristallisation, haben für die chemische, die pharmazeutische und die biotechnologische Industrie eine sehr große wirtschaftliche Bedeutung. Bereits heute werden ca. 60% aller Produkte in der chemischen Industrie als Feststoffprodukte hergestellt. Der Anteil disperser Stoffsysteme wird in der Produktion zukünftig weiter zunehmen, wobei der Trend in den hoch entwickelten Industrieländern von Massenprodukten hin zu Spezialprodukten geht. Die Projektpartner streben daher an, ausgehend von der Methodenentwicklung für das konkrete Praxisproblem, die spätere Übertragung der entwickelten Methoden und Werkzeuge auf andere Partikelprozesse, die der Kristallisation artverwandt sind, wie z.B. Partikelfällungs- oder Emulgierprozesse, vorzubereiten.

    Zusammengefasst handelt es sich bei dem hier skizzierten Projekt um ein Verbundvorhaben, in dem neue Methoden der angewandten Mathematik entwickelt und zur modellgestützten Analyse und Führung eines konkreten industriellen Beispielprozesses angewendet werden sollen. Zur Bearbeitung des Projekts ist eine enge Kooperation zwischen mathematischen und ingenieurwissenschaftlichen Arbeitsgruppen sowie mit dem Industriepartner erforderlich.