Transferzentrum »MSO-basierte Verfahrenstechnik«

Die bisher im Zentrum 1 bearbeiteten Projekte zeigen, dass es häufig zwischen modellgestützten Planungsdaten von Prozessanlagen und real beim Anlagenbetrieb erfassten Prozessdaten substanzielle Unterschiede gibt, deren Klärung für die Weiterentwicklung der Prozesse von hoher Relevanz ist.

Die scheinbar naheliegende Nutzung von Standardverfahren des Machine Learning ist hier nicht zielführend, da die aufwendige Sensorik und Analytik in Produktionsanlagen in der Regel das Input-Output-Verhalten nur unvollständig erfasst und darauf basierend nur bedingt erlernbar ist.

Deshalb ist es das wesentliche Ziel, durch die stark interdisziplinäre Zusammenarbeit im Transferzentrum 1 und den beiden FuE-Labs derartige systematische Lücken durch Modelle zu schließen.

Fokus des Transferzentrums:

Das Leistungsangebot des Transferzentrums steht für Modellierung, Simulation und Optimierung in der Verfahrenstechnik. Die Arbeiten decken gleichermaßen verfahrenstechnische Prozesse wie deren Produkte und ihre Anwendungseigenschaften ab.

Drei Schwerpunkte und damit auch Branchen stehen im Fokus:

»Entscheidungsunterstützung in chemischer und pharmazeutischer Industrie«
»Prozessentwicklung für Fasern und Vliesstoffe«
»Entwicklung von Filtrations- und Separationsprozessen«

Partner:

Fraunhofer ITWM
TU Kaiserslautern (Mathematik, Maschinenbau/Verfahrenstechnik)

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Schwerpunkt 1

»Entscheidungsunterstützung in chemischer und pharmazeutischer Industrie«

Neuentwicklungen und Verbesserungen von technischen Prozessen in verfahrenstechnischen oder chemischen Anlagen fußen heute in der Regel auf Simulationen. Fast immer gilt es, den Ertrag sowie die Qualität der Produkte zu verbessern und gleichzeitig Kosten einzusparen.

In der gängigen Praxis werden Prozessparameter oft auf Basis von Erfahrungswissen festgelegt. Neue entscheidungsunterstützende Systeme hingegen tragen dazu bei, dass die für Entscheidungsträger relevanten Informationen anhand objektiver Kriterien ermittelt, aufbereitet sowie übersichtlich zusammengestellt werden und damit bei der Bewertung helfen.

Die Herausforderungen sind

auf der verfahrenstechnischen Seite die Nutzung angemessener Simulationsmodelle, die sich mit mehrkriteriellen Optimierungsroutinen hybridisieren lassen
auf der mathematischen Seite eine möglichst effiziente Approximation von Pareto-Flächen in Verbindung mit Inter- und Extrapolationstechniken.

Ziel:

Dieser Ansatz wurde bereits in einem Projekt sehr erfolgreich realisiert, indem interaktive Entscheidungsunterstützungskomponenten in den Workflow zur Planung und Simulation von chemischen Produktionsanlagen integriert wurden, und soll in diesem Projekt weiterentwickelt werden.

Schwerpunkt 2

»Prozessentwicklung für Fasern und Vliesstoffe«

Das Einsatzspektrum von Vliesstoffen ist extrem breit und reicht von Alltagsprodukten wie Babywindeln und Staubsaugerbeuteln bis hin zu Hightech-Produkten wie Batterieseparatoren oder Medizinprodukten.

In der Herstellung von Fasern (Filamenten) und Vliesstoffen sind die einzelnen Prozessschritte Schmelzen und Spinnen sowie Verwirbeln und Ablegen stark aufeinander abgestimmt und in eine Kette integriert. Hohe Produktionsgeschwindigkeiten und oft turbulenzbedingte Einflüsse im Produktionsprozess führen in der Praxis häufig zu Qualitätsschwankungen des Produkts.

Ziel:

In diesem Projekt des Zentrums werden industriell relevante Prozesse wie Spunbond (Spinnvliese) und Meltblown (Schmelzblasverfahren) eines Industriepartners simuliert, um die Ergebnisse der – mathematisch gesehen stochastischen – Teilschritte darin möglichst gut zu steuern.

Schwerpunkt 3

»Entwicklung von Filtrations- und Separationsprozessen«

Die Auslegung von Medien und Elementen für verschiedenste Filtrationsprozesse kann mit neuen erweiterten strömungsdynamischen Simulationsmodellen gezielt unterstützt werden. Aufwändige Prüfstandtests werden dadurch deutlich reduziert.

In direkten Industriekooperationen werden Simulationswerkzeuge zur Auslegung und funktionalen Eigenschaftsbewertung von Filtermedien und Filterelementen zur Luft-, Feststoff- und Partikelfiltration entwickelt.

Ziel:

Von besonderer Bedeutung für die industrielle Praxis ist dabei die adäquate Berücksichtigung der realen Betriebsbedingungen, unter denen eine Kompression des Filterkuchens und eine Deformation des Filtermediums stattfinden. Im Projekt werden dazu die Simulationstechniken granularer Materialien mit denen der Filtration zu neuartigen Softwaretools verbunden.