Prozeßsimulation:
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Weinheim u.a.
VCH
1995
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INHALT
GRUNDLAGEN UND METHODEN DER PROZESSSIMULATION
1 MODELLBILDUNG ALS GRUNDLAGE DER PROZESSSIMULATION 3
W. MARQUARDT
1.1 EINFUEHRUNG 3
1.2 MODELLIERUNG ALS SYSTEMENTWICKLUNGSPROZESS 5
1.2.1 DER BEGRIFF DES SYSTEMS 5
1.2.2 DER BEGRIFF DES MODELLS 7
1.2.3 SYSTEMENTWICKLUNG 9
1.2.4 MODELLBILDUNG 10
1.3 EIN SYSTEMTECHNISCHER MODELLIERUNGSANSATZ 12
1.4 DEFINITION UNIVERSELLER MODELLBAUSTEINE 14
1.4.1 KOMPONENTEN UND VERKNUEPFUNGEN 15
1.4.1.1 ELEMENTARVERKNUEPFUNGEN 16
1.4.1.2 ELEMENTARKOMPONENTEN 18
1.4.1.3 ZUSAMMENGESETZTE MODELLBAUSTEINE 19
1.4.2 DAS VERHALTEN VON MODELLBAUSTEINEN 19
1.4.2.1 MODELLGLEICHUNGEN DER VERALLGEMEINERTEN PHASEN 20
1.4.2.2 MODELLGLEICHUNGEN DER STROMVERKNUEPFUNGEN 23
1.4.2.3 MODELLGLEICHUNGEN ZUSAMMENGESETZTER MODELLBAUSTEINE 25
1.5 ABLAUF DER MODELLBILDUNG 26
1.5.1 PROBLEMANALYSE 27
1.5.2 ABLEITUNG DES PROZESSMODELLS 28
1.5.3 ANALYTISCHE VORVERARBEITUNG UND IMPLEMENTIERUNG DES MODELLS . ..
30 1.5.4 IDENTIFIKATION, VALIDIERUNG UND ANWENDUNG 30
1.6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 31
1.7 LITERATUR 32
IMAGE 2
2 NUMERIK GROSSER DIFFERENTIELL-ALGEBRAISCHER GLEICHUNGEN -
SIMULATION UND OPTIMIERUNG 35
H. G. BOCK, J. R SCHLOEDER, V H. SCHULZ
2.1 EINFUEHRUNG 35
2.1.1 DAE-MODELLE DER VERFAHRENSTECHNIK 35
2.1.2 ANFORDERUNGEN AN DIE NUMERIK 37
2.1.3 ZIELE DER NUMERIK VON DAE 38
2.2 STANDARDVERFAHREN FUER DAE VOM INDEX 1 39
2.2.1 KONVERGENZ VON DISKRETISIERUNGSVERFAHREN 39
2.2.2 INDEX-1-DAE-LOESER 40
2.3 NUMERISCHE LOESUNG GROSSER DAE-SYSTEME MIT BDF-VERFAHREN . . .. 40
2.3.1 BDF-DISKRETISIERUNG 41
2.3.1.1 MONITORSTRATEGIE 42
2.3.2 KONSISTENTE INITIALISIERUNG 43
2.3.2.1 GLOBALISIERTE NEWTONVERFAHREN 44
2.3.2.2 HOMOTOPIEVERFAHREN 45
2.3.2.3 INTEGRATION BEI INKONSISTENTEN ANFANGSWERTEN 47
2.3.3 GROSSE DUENNBESETZTE LINEARE GLEICHUNGSSYSTEME 47
2.3.3.1 DIREKTE LOESUNGSMETHODEN FUER DUENNBESETZTE MATRIZEN 48
2.3.3.2 ITERATIVE METHODEN 48
2.3.4 FEHLERKONTROLLE UND SCHRITTWEITENSTEUERUNG 49
2.4 ALTERNATIVE DISKRETISIERUNGSVERFAHREN 51
2.4.1 SEMI-IMPLIZITES EULERVERFAHREN MIT EXTRAPOLATION 51
2.4.2 KOLLOKATIONSVERFAHREN UND MEHRSCHRITT-KOLLOKATION 52
2.4.3 WEITERE IMPLIZITE RUNGE-KUTTA-VERFAHREN 53
2.5 ALLGEMEINERE AUFGABENSTELLUNGEN 54
2.5.1 PROBLEME MIT HOEHEREM INDEX 54
2.5.1.1 INDEXREDUKTION 54
2.5.1.2 DAS DRIFT-PROBLEM UND DIE PROJEKTION 55
2.5.1.3 INITIALISIERUNG VON AUFGABEN MIT HOEHEREM INDEX 57
2.5.1.4 LOESUNG VON PROBLEMEN MIT HOEHEREM INDEX OHNE INDEXREDUKTION. . .
57 2.5.1.5 AUTOMATISCHE INDEXERKENNUNG 58
2.5.1.6 INTEGRATION BEI INKONSISTENTEN ANFANGSWERTEN 58
2.5.2 UNSTETIGKEITEN UND NICHTDIFFERENZIERBARKEITEN 59
2.5.3 NATUERLICHE INTERPOLATION 61
2.5.4 ZEITVERZOEGERUNGEN, DELAYS 62
2.6 KURVENITERATION, WAVEFORM RELAXATION 63
2.7 SENSITIVITAETSANALYSE UND GRADIENTENBERECHNUNG 65
2.7.1 IND FUER BDF-VERFAHREN 66
2.7.2 IND MIT ADJUNGIERTEN SYSTEMEN 66
IMAGE 3
2.8 OPTIMIERUNGSPROBLEME IN DER VERFAHRENSTECHNIK 69
2.8.1 PARAMETERSCHAETZUNG 70
2.8.2 PROZESSOPTIMIERUNG 70
2.8.3 NUMERISCHE BEHANDLUNG VON OPTIMIERUNGSPROBLEMEN DER
VERFAHRENSTECHNIK 71
2.8.3.1 BLACK-BOX-ANSAETZE 71
2.8.3.2 DER RANDWERTPROBLEMANSSATZ 72
2.8.3.3 PARAMETRISIERUNG DER STEUERUNGEN 72
2.8.3.4 DISKRETISIERUNG DER DAE MIT MEHRZIEL ODER KOLLOKATIONSVERFAHREN
73
2.8.3.5 VERALLGEMEINERTE GAUSS-NEWTON-VERFAHREN ZUR PARAMETERSCHAETZUNG 74
2.8.3.6 VERFAHREN DER SUKZESSIVEN QUADRATISCHEN PROGRAMMIERUNG ZUR
PROZESSOPTIMIERUNG 76
2.8.3.7 EFFIZIENZ UND PARALLELISIERUNG 77
2.9 LITERATUR 77
3 STATIONAERE FLOWSHEET-SIMULATION 81
B. LOHE, E. FUTTERER
3.1 EINSATZ DER STATIONAEREN PROZESSSIMULATION 81
3.2 AUFBAU 83
3.2.1 MODELLE FUER GRUNDOPERATIONEN 85
3.2.2 STOFFDATENMODELLE UND DATENBANKEN 86
3.2.3 LOESUNGSANSAETZE 88
3.2.3.1 SEQUENTIELL MODULAR 88
3.2.3.2 SIMULTAN ODER GLEICHUNGSORIENTIERT 92
3.2.3.3 ZWEISTUFIG 93
3.2.4 PROGRAMMFUNKTIONEN 95
3.2.4.1 MASSEN- UND ENERGIEBILANZEN 95
3.2.4.2 KOSTENSCHAETZUNG 96
3.2.4.3 PARAMETERSTUDIEN UND OPTIMIERUNG 97
3.2.4.4 SCHNITTSTELLEN UND BENUTZERDEFINIERTE ROUTINEN 98
3.2.4.5 INTEGRATION MIT ANDEREN PROGRAMMSYSTEMEN 100
3.2.4.6 WEITERE PROGRAMMFUNKTIONEN 101
3.3 VERFUEGBARE PROGRAMME 102
3.4 HARDWARE 102
3.5 ZUKUENFTIGE ENTWICKLUNG 103
3.6 LITERATUR 105
IMAGE 4
4 DYNAMISCHE PROZESS- UND ANLAGENSIMULATION 109
A. HELGET, E. D. GILLES
4.1 EINFUEHRUNG 109
4.2 DYNAMISCHE SIMULATION IN DER VERFAHRENSTECHNISCHEN PLANUNG . . . 110
4.3 SIMULATIONSTECHNIK 112
4.3.1 PROZESSE UND ANLAGEN 112
4.3.2 EIN ANLAGENSIMULATOR 114
4.3.3 ERWEITERUNG DER FUNKTIONALITAET DES ANLAGENSIMULTORS DURCH EINE
ECHTZEIT - SIMULATIONSUMGEBUNG 118
4.4 MODELLE, MODELLBILDUNG UND MODELLBIBLIOTHEKEN 121
4.4.1 MODELLENTWICKLUNG BEI DER DYNAMISCHEN ANLAGENSIMULATION . . .. 122
4.4.2 WEITERFUEHRENDE SYSTEMATISIERUNG DER MODELLIERUNG 129
4.5 NUMERISCHE METHODEN ZUR BEHANDLUNG DER MODELLGLEICHUNGEN . . 133
4.6 ZUKUNFTSWEISENDE ANWENDUNGEN 138
4.7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 147
4.8 LITERATUR 148
PROZESSSIMULATION ALS WERKZEUG DER VERFAHRENSINGENIEURE
5 SIMULATION IN DER VERFAHRENSENTWICKLUNG 155
G. WOZNY
5.1 EINFUEHRUNG 155
5.2 ANWENDUNGEN 158
5.2.1 ENTWICKLUNG NEUER VERFAHREN - FALLBEISPIELE 158
5.2.1.1 ENTWICKLUNGSBEGLEITENDE PROZESSSIMULATION 159
5.2.1.1.1 AUSLEGUNG GRUNDOPERATIONEN 160
5.2.1.1.2 ENERGETISCHE ANALYSE 162
5.2.1.1.3 KOSTENPROGRAMM 164
5.2.1.1.4 POLYMERISATIONS - SIMULATOR 166
5.2.2 OPTIMIERUNG BESTEHENDER ANLAGEN 169
5.2.2.1 VORGEHENSWEISE 169
5.2.2.2 MESSWERTVALIDIERUNG 170
5.2.2.2.1 GRUNDLAGEN 171
5.2.2.2.2 ANWENDUNGSBEISPIEL 172
5.2.2.3 ANLAGENOPTIMIERUNG 173
IMAGE 5
5.2.2.3.1 MODELLENTWICKLUNG, MODELLVALIDIERUNG - BATCHREAKTOR 176
5.2.2.3.2 VERFAHRENSOPTIMIERUNG 178
5.2.2.4 UPGRADE PROZESSAUTOMATISIERUNG 178
5.2.2.4.1 FALLBEISPIEL - REGELUNGSSTRUKTUR 183
5.2.2.4.2 FALLBEISPIEL - IMC REGELUNG , 186
5.2.2.4.3 FALLBEISPIEL -ANFAHREN 193
5.2.3 MANAGE KNOW HOW 198
5.2.3.1 BERATUNGSSYSTEME - EXPERTENSYSTEME 199
5.2.3.2 FALLBEISPIEL - AUTOMATISIERUNGSKONZEPT 199
5.3 ZUSAMMENFASSUNG 200
5.4 LITERATUR 200
6 SIMULATION IN DER PROZESSFUEHRUNG 203
P. HOLL
6.1 AUFGABEN DER PROZESSFUEHRUNG 203
6.2 SIMULATOREN ZUR UNTERSTUETZUNG DER PROZESS-UND BETRIEBSFUEHRUNG 204
6.2.1 SCHULUNGS-SIMULATOREN 204
6.2.2 TRAININGS-SIMULATOREN 205
6.2.3 PRAEDIKTIVE SIMULATOREN 208
6.2.4 SIMULATOREN ZUR ENTWICKLUNG UND ERPROBUNG VON STEUERSTRATEGIEN 209
6.2.5 SIMULATOREN ZUR OPERATORBERATUNG 210
6.2.6 PROZESSFUEHRUNGSSIMULATOREN 211
6.2.7 SIMULATOREN ZUR INTERPRETATION VERGANGENER PROZESSZUSTAENDE . . ..
211
6.3 AUFBAU VON PROZESSFUEHRUNGSSIMULATOREN 212
6.3.1 BETRIEBSARTEN UND FUNKTIONEN VON PROZESSFUEHRUNGSSIMULATOREN . . 212
6.3.2 SIMULATORSTEUERUNG 215
6.3.3 BEDIENOBERFLAECHE 217
6.3.4 REALISIERUNGSVARIANTEN 217
6.4 BEISPIELE 221
6.5 ENTWICKLUNGSTENDENZEN 229
6.6 LITERATUR 230
IMAGE 6
ERFAHRUNGEN MIT KOMMERZIELLEN SIMULATIONSWERKZEUGEN
7 STAND, PROBLEME UND ZUKUENFTIGE WEITERENTWICKLUNG VON KOMMERZIELLEN
SIMULATIONSPROGRAMMEN AUS SICHT DER ANWENDER 235
W. GUTERMUTH
11 EINFUEHRUNG 235
7.2 PROZESSSIMULATORELEMENTE 236
7.2.1 STOFFSYSTEME 236
7.2.2 UNIT-OPERATION-MODELLE 240
7.2.2.1 UEBERBLICK 240
7.2.2.2 BLACK-BOX-MODELLE 240
7.2.2.3 FLASCH-HEATER-MODELLE 241
7.2.2.4 MEHRSTUFEN-MODELLE 241
7.2.2.5 DRUCKAENDERUNGSMODELLE 242
7.2.2.6 REAKTOREN 242
7.2.2.7 ZUSAMMENFASSUNG 243
7.2.3 GENERELLE SIMULATORFAEHIGKEITEN. . 245
7.2.3.1 SEQUENCING UND TEARING 245
7.2.3.2 KONVERGENZ 247
7.2.3.3 FEEDFORWARD- UND FEEDBACK-CONTROLLER 248
7.2.3.4 OPTIMIERUNG 249
7.2.3.5 SCHNITTSTELLEN 249
7.2.4 BENUTZEROBERFLAECHE 250
7.2.4.1 EINGABE 251
7.2.4.2 GRAFIK 252
7.2.4.3 AUSGABE 253
7.2.4.4 INTERAKTIVE SIMULATION 254
7.2.5 ZUSATZPROGRAMME 254
7.3 ZUSAMMENFASSUNG 255
7.4 LITERATUR 257
8 PRAXISERFAHRUNG MIT DER DYNAMISCHEN ANLAGENSIMULATION AM BEISPIEL
SPEEDUP 259
W. KOTHE, P. KASSLER, D. SCHWARZ
8.1 WISSENSWERTES ZU SPEEDUP 259
8.2 GRUENDE FUER DIE BESCHAFFUNG 259
8.3 S P E E D U P - E IN DYNAMISCHER SIMULATOR 262
8.4 INTEGRATION VON SPEEDUP IN DER HUELS-CAPE UMGEBUNG 265
IMAGE 7
8.5 ANWENDUNGEN VON SPEEDUP IN DER PRAXIS 269
8.5.1 KOLONNEN 269
8.5.1.1 BATCHDESTILLATION 269
8.5.1.2 REGELVERHALTEN 270
8.5.2 REAKTION 272
8.5.2.1 KINETIK UND GLEICHGEWICHT EINER GASREAKTION 272
8.5.3 ROHRLEITUNGEN 274
8.5.3.1 ZUFRIEREN EINER ROHRLEITUNG 274
8.5.3.2 LECKERKENNUNG UND -ORTUNG 276
8.5.4 BEHAELTER 278
8.5.4.1 SICHERHEITSANALYSE 278
8.5.5 LEITSTANDSKOPPLUNG UND TRAININGSIMULATOR 282
8.6 SYSTEMENTWICKLUNG VON SPEEDUP - VOM THEORETISCHEN HOCH
SCHULPROGRAMM ZUM PROBLEMLOESER FUER DIE INDUSTRIELLE PRAXIS . . .. 284
8.7 HEUTIGER UND ZUKUENFTIGER EINSATZ VON SPEEDUP 289
9 ERFAHRUNGEN MIT EINEM REGELUNGSTECHNISCH ORIENTIERTEN
SIMULATIONSWERKZEUG 291
R. PERNE
9.1 EINFUEHRUNG 291
9.2 CHARAKTERISIERUNG DES VERWENDETEN SIMULATIONSWERKZEUGES . . .. 293
9.3 REGELUNGSTECHNISCHE ANWENDUNGEN 296
9.3.1 PROZESSANALYSE MIT HILFE VON MODELLBILDUNG UND SIMULATION . . ..
296 9.3.1.1 EINLEITUNG 296
9.3.1.2 MODELLIERUNG 296
9.3.1.3 SIMULATION 299
9.3.1.4 RESULTATE 305
9.3.2 ENTWURF EINES MODELLGESTUETZTEN ZUSTANDSREGLERS AM PROZESSSIMULATOR
306
9.3.2.1 EINLEITUNG 306
9.3.2.2 AUFGABENSTELLUNG UND LOESUNGSANSATZ 306
9.3.2.3 TEST UND PROJEKTIERUNG DES MZR 309
9.3.2.4 BEISPIELE 311
9.3.3 TEST EINER FUZZY-REGELUNG IN DER COMPUTERSIMULATION 328
9.3.3.1 AUFGABENSTELLUNG 328
9.3.3.2 FUZZY CONTROL 330
9.3.3.3 LOESUNGSKONZEPT 338
9.3.3.4 RESULTATE 343
9.4 ZUSAMMENFASSUNG UND BEWERTUNG 344
9.5 LITERATUR 344
IMAGE 8
SIMULATION SPEZIELLER PROZESSE
10 SIMULATION THERMISCHER TRENNVERFAHREN FLUIDER VIELKOMPONENTENGEMISCHE
349
A. GORAK
10.1 EINFUEHRUNG 349
10.2 MODELLIERUNG THERMISCHER TRENNVERFAHREN 351
10.3 MATHEMATISCHE MODELLE THERMISCHER TRENNVERFAHREN 355
10.3.1 STOFFAUSTAUSCHMODELL 359
10.3.2 STOFFTRANSPORT IN VIELKOMPONENTENGEMISCHEN 363
10.3.3 MODELL DER THEORETISCHEN STUFE 366
10.3.4 SHORT-CUT-METHODEN 368
10.3.5 *BLACK-BOX-MODELL 369
10.4 METHODEN ZUR LOESUNG DER MODELLGLEICHUNGEN 370
10.4.1 SYSTEME NICHTLINEARER ALGEBRAISCHER GLEICHUNGEN 371
10.4.2 DIFFERENTIAL-ALGEBRAISCHE GLEICHUNGSSYSTEME 376
10.5 SIMULATION DER KOLONNENAUSLEGUNG 376
10.5.1 TRENNSEQUENZ 377
10.5.2 TRENNSCHAERFE, KOLONNENDIMENSIONIERUNG 378
10.5.2.1 PHANSENGLEICHGEWICHTE 378
10.5.2.2 STOFFWERTE 381
10.5.2.3 KORREKTURFAKTOREN FUER DIE ABWEICHUNG VOM GLEICHGEWICHTSZUSTAND
382
10.5.2.4 SENSITIVITAET DER RECHENERGEBNISSE AUF FEHLERHAFTE
SIMULATIONSPARAMETER 385
10.5.2.5 BETRIEBSPARAMTER 387
10.5.3 DYNAMISCHE SIMULATION THERMISCHER TRENNVERFAHREN 387
10.5.4 VERGLEICH DER MODELLE 388
10.6 AUSBLICK 395
10.7 LITERATUR 399
10.8 VERZEICHNIS DER FORMELZEICHEN 407
11 SIMULATION BIOVERFAHRENSTECHNISCHER PROZESSE 409
A. MUNACK
11.1 EINFUEHRUNG 409
11.2 AUFSTELLUNG MATHEMATISCHER MODELLE FUER DIE SIMULATION
BIOVERFAHRENSTECHNISCHER PROZESSE 410
IMAGE 9
11.2.1 GRUNDLEGENDE BILANZEN 410
11.2.2 WACHSTUMSKINETIKEN 412
11.2.3 PRODUKTBILDUNG 414
11.2.4 STRUKTURIERTE UND SEGREGIERTE MODELLE 415
11.2.5 GASTRANSPORT 415
11.2.6 GESICHTSPUNKTE FUER DIE SIMULATION BIOVERFAHRENSTECHNISCHER
PROZESSE 417
11.3 IDENTIFIKATION UNBEKANNTER MODELLPARAMETER 419
11.3.1 EINFUEHRUNG IN DIE PROBLEMSTELLUNG UND EINIGE LOESUNGSMETHODEN 419
11.3.2 ERMITTLUNG DER ERREICHBAREN GENAUIGKEIT DER PARAMETER SCHAETZUNG
422
11.3.3 BEWERTUNG DES INFORMATIONSGEHALTS VON MESSUNGEN UND DARAUS
ABGELEITETE VERSUCHSPLANUNG 426
11.3.4 ENTWURF EINES OPTIMIERTEN EINGANGSGROESSENVERLAUFS ZUR
PARAMETERSCHAETZUNG 428
11.3.5 SENSORAUSWAHL UND -POSITIONIERUNG FUER EINEN
BLASENSAEULENBIOREAKTOR 436
11.3.5.1 BESCHREIBUNG DES SYSTEMS UND SEINER MODELLIERUNG 436
11.3.5.2 FORMULIERUNG DER ZU LOESENDEN INSTRUMENTIERUNGSPROBLEME 440
11.3.5.3 ERGEBNISSE ZUR SENSORAUSWAHL UND -POSITIONIERUNG 441
11.4 EINSATZ VON SIMULATIONSMODELLEN FUER DIE PROZESSFUEHRUNG 445
11.4.1 WIRKUNGSWEISE UND EIGENSCHAFTEN DES OLFO-ALGORITHMUS 446
11.4.2 STUDIE ZUR ERFORDERLICHEN MODELLGUETE FUER DAS OLFO-VERFAHREN . .
450 11.4.3 ERMITTLUNG DER ON-LINE IDENTIFIZIERBARKEIT VON
PROZESSPARAMETERN 453
11.5 SCHLUSSBEWERTUNG 455
11.6 LITERATUR 455
VERZEICHNIS DER VERWENDETEN ABKUERZUNGEN UND WARENZEICHEN 458
REGISTER 464
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