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Information für die Wissenschaft Nr. 30 | 8. Juni 2012
Schwerpunktprogramm „DynSim-FP – Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozess“ (SPP 1679)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „DynSim-FP – Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse“ (SPP 1679) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen.

Verfahrenstechnische Prozesse der Stoff- und Energiewandlung bestehen oft aus vielen einzelnen Teilschritten, die durch Stoff-, Energie- und Informationsflüsse miteinander vernetzt sind. Die Vernetzung der einzelnen Komponenten hat erhebliche Auswirkungen auf das dynamische Verhalten und die Stabilität derartiger Prozesse. Zur Auslegung und Optimierung, insbesondere im Hinblick auf die Schonung der Energie- und Rohstoffressourcen, sollten deshalb nicht nur die einzelnen Komponenten simuliert werden, sondern auch das dynamische Verhalten des Gesamtprozesses. Während dies in der Fluidverfahrenstechnik Stand der Technik ist und unterschiedliche Tools zur dynamischen Fließschemasimulation kommerziell verfügbar sind, fehlen in der Feststoffverfahrenstechnik Programmsysteme und dynamische Modelle, die ohne Beschränkungen auf spezielle Anwendungen zur dynamischen Fließschemasimulation genutzt werden können. Grund hierfür ist die komplexe Beschreibung von Feststoffen mit ihren multivariaten dispersen Eigenschaften und der zugehörigen Prozesse zur Umwandlung von Feststoffen.

Das zentrale Ziel des Schwerpunktes ist es, numerische Werkzeuge für eine dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse zu schaffen. Hierzu sollen dynamische Modelle der unterschiedlichen Apparate und Maschinen der Feststoffverfahrenstechnik formuliert und implementiert werden. Benötigt werden physikalisch begründete, prädiktive Modelle, die eine ausreichend genaue Simulation des Prozesses erlauben und hierbei den Einfluss aller relevanten Parameter berücksichtigen. Im Hinblick auf die Simulation vernetzter Feststoffprozesse ergeben sich einige Anforderungen an diese Modelle. Die Modelle sollen einen möglichst weiten Einsatzbereich haben, insbesondere sollten sie nicht auf bestimmte Stoffe oder Stoffsysteme beschränkt sein. Auch müssen die dispersen Eigenschaften der Feststoffe berücksichtigt werden. Denn nicht nur die Korngröße, auch weitere Größen, wie Zusammensetzung, Dichte und Kornform, können Verteilungen unterliegen. Weiterhin müssen bei den meisten Prozessen die Interaktionen mit der umgebenden fluiden Phase berücksichtigt werden; auch bezüglich der fluiden Phase darf es keine Beschränkung auf bestimmte Stoffe geben.

Damit die Modelle für die dynamische Simulation komplexer vernetzter Feststoffprozesse genutzt werden können, dürfen sie trotz der vorgenannten Anforderungen aber keine zu hohen Anforderungen bezüglich der Rechnerressourcen, insbesondere der Rechenzeit, haben.

Zur Formulierung der Modelle sollen einerseits Literaturdaten analysiert und andererseits experimentelle Untersuchungen, teilweise aber auch numerische Experimente mit CFD- beziehungsweise DEM-Methoden, durchgeführt werden.

Das Forschungsprogramm des SPP ist in drei Bereichen aufgestellt:

  • Neue dynamische, physikalisch basierte Prozessmodelle für Maschinen und Apparate

  • Stoffmodelle in der Feststoffverfahrenstechnik

  • Algorithmen und Prozesssimulation

Diese Verfahren sind dann die Basis zur Entwicklung von Methoden zur simulationsbasierten Optimierung und Steuerung der Modelle und Anlagen. Aus Sicht der Prozessdynamik interessieren Fragen der Eindeutigkeit und Stabilität stationärer Betriebszustände gekoppelter Prozessstufen und damit verbunden die Entwicklung geeigneter Anfahrstrategien sowie die Sensitivität gegenüber Störungen und das Verhalten bei Last- und Spezifikationswechseln.

Um die Kohärenz der Forschungsprojekte im Schwerpunktprogramm zu gewährleisten, sollen die Arbeiten auf Prozesse eingeschränkt beziehungsweise fokussiert werden, die aus Elementen folgender Gruppen bestehen:

  • Partikelerzeugung (z. B. Kristallisation/Fällung, Versprühen)

  • Zerkleinerung

  • Granulation, Agglomeration

  • Trocknung (Sprüh-, Konvektions-, Kontakttrocknung)

  • Klassierung

  • Partikelabscheidung aus der fluiden Phase unter Berücksichtigung der sich einstellenden Trennkurve

  • Misch- und Entmischungsvorgänge

Es soll die mathematische Beschreibung der Dynamik der genannten Feststoffprozesse sowie der entsprechenden Apparate und Maschinen untersucht werden.

Nicht untersucht werden sollen:

  • chemische Partikelsynthesen, die im Zusammenhang mit der Partikelerzeugung stehen

  • reine CFD- und DEM-Simulationen ohne Bestimmung von Modellparametern

  • Wechselwirkungsmechanismen zwischen Partikeln auf molekularer beziehungsweise atomistischer Ebene und Partikeloberflächeneigenschaften (z. B. Ladung, Rauheit, Oberflächenchemie)

Am Ende der Projektlaufzeit sollen die entwickelten Modelle und Methoden in eine gemeinsame Laufzeitumgebung implementiert werden und standardisierte Schnittstellen benutzen, sodass eine geschlossene Simulation von vernetzten Prozessen exemplarisch durchgeführt werden kann. Die Definition der Schnittstellen soll im Rahmen eines zentralen Projektes in Zusammenarbeit mit allen Projektpartnern erfolgen.

Antragstellende werden zunächst gebeten, bis spätestens 10. August 2012 Antragsskizzen (max. 2 Seiten; kurze Themenbeschreibung, Angabe zu den Antragstellenden, grobe Schätzung zu den gewünschten Mitteln) für die erste Förderperiode (2 Jahre) in elektronischer Form (pdf-Format) an die DFG-Geschäftsstelle, z. H. Dr.-Ing. Bernd Giernoth, und den Koordinator des SPP, Prof. Dr.-Ing. Stefan Heinrich, zu senden.

Die Antragsskizzen dienen der Vorbereitung des Antragskolloquiums. Sollte eine sehr große Anzahl von Antragsskizzen eingereicht werden, behält sich die Geschäftsstelle vor, anhand der Antragsskizze und unter Beteiligung von Gutachtern eine Vorauswahl von Skizzen zu treffen, die zur Abfassung eines Vollantrages aufgefordert werden.

Bezüglich der Einreichung der Vollanträge erhalten Sie aufgrund der Anmeldung über die Antragsskizze ein Aufforderungsschreiben mit den Angaben zur Antragstellung und den genauen Terminen. Die Vollanträge müssen voraussichtlich bis Mitte Oktober 2012 eingereicht werden, das Antragskolloquium wird voraussichtlich Ende November 2012 stattfinden.

Weitere Informationen

Über die Inhalte des SPP informiert die Website:

Für inhaltliche Rückfragen steht Ihnen der Koordinator des SPP zur Verfügung:

  • Prof. Dr.-Ing. Stefan Heinrich,
    TU Hamburg-Harburg,
    Institut für Feststoffverfahrenstechnik und Partikeltechnologie,
    Tel. +49 40 42878-3750,
    stefan.heinrich@tuhh.de

Fragen zur Antragstellung beantworten Ihnen die DFG-Ansprechpersonen:

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