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Information für die Wissenschaft Nr. 42 | 6. August 2014
Schwerpunktprogramm „Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse“ (SPP 1679)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse“ (SPP 1679) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die Ausschreibung lädt zur Antragstellung für die zweite Förderperiode ein.

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 Schwerpunktprogramms 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. Dies ist nicht nur die Korngrößenverteilung, auch weitere Größen, wie die Zusammensetzung, die Dichte und die 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 Schwerpunktprogramms ist in drei Bereichen aufgestellt:

A – Neue dynamische, physikalisch basierte Prozessmodelle für Maschinen und Apparate
Damit die Modelle einen breiten Parameterbereich abdecken und prädiktiv eingesetzt werden können, muss eine klare Unterscheidung zwischen den Eigenschaften des behandelten Feststoffs (Materialfunktion) und den Eigenschaften der Maschine beziehungsweise des Apparates einschließlich der Ausrüstung und Betriebsweise (Apparate-/Maschinenfunktion) erfolgen. Auf empirische Parameter, die sowohl von Stoff- als auch von Apparateeigenschaften abhängen, sollte verzichtet werden.

B – Stoffmodelle in der Feststoffverfahrenstechnik
Die Entwicklung neuer Stoffmodelle oder -gesetze dient der Ermittlung der Modellparameterwerte und sowie der Berechnung der Produktqualität auf Basis von dispersen, über die dynamischen Prozessmodelle berechneten Eigenschaften, wie der Partikelgrößenverteilung. Dementsprechend sind für summarische Modellparameter, wie sie bei der Modellreduktion identifiziert werden und die über Versuche nur schlecht oder nicht zugänglich sind, parallel zur Modellentwicklung Methoden zu etablieren, mit denen diese aus bekannten oder leicht messbaren Stoffgrößen bestimmt werden können (zum Beispiel Bruchwahrscheinlichkeit auf Basis mikromechanischer Eigenschaften). Auf der anderen Seite sind Eigenschaftsfunktionen zu entwickeln, die die Berechnung von anwendungstechnischen Produktqualitäten, wie Löslichkeit oder Fließeigenschaften, auf Grundlage von dispersen Eigenschaften erlauben. Bei Kenntnis dieser Eigenschaftsfunktionen lassen sich die Produktqualitäten entlang des Prozessweges verfolgen. Zudem können Produkteigenschaften bestimmt werden, die auch als Stoffparameter für einen nachfolgenden Prozessschritt dienen können.

C – Algorithmen und Prozesssimulation
Die Modellierung der betrachteten Prozesse führt zu Populationsbilanzsystemen. Diese koppeln Gleichungen zur Massen-, Energie- und Impulserhaltung mit Gleichungen zur Beschreibung der Populationen. Zunächst müssen vorhandene Verfahren für univariate Populationssysteme miteinander verglichen und gegebenenfalls verbessert werden. Die besten dieser Verfahren sind auf ihre Erweiterbarkeit zur Simulation multivariater Populationsbilanzsysteme zu untersuchen beziehungsweise zu entwickeln. Ein Ziel des beantragten Schwerpunktprogramms besteht darin, für die darin entwickelten Populationsbilanzmodelle geeignete numerische Algorithmen und Verfahren zu entwickeln. Diese sind unentbehrlich für die Validierung der Modelle, die Identifikation von Modellparametern und die Weiterentwicklung von Modellen.

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 (zum Beispiel 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 (zum Beispiel 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.

Die Antragstellung erfolgt über das elan-Portal der DFG, das Ihnen für die Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten zur Verfügung steht. Bei einem Fortsetzungsantrag gehen Sie bitte über den vorherigen Antrag auf die elektronischen Antragsformulare. Für die richtige Zuordnung wählen Sie bitte das Schwerpunktprogramm aus der angebotenen Liste aus.

Die Anträge für das dritte und vierte Jahr sind bis spätestens 27. Oktober 2014 (Deadline 24Uhr) einzureichen.

Bitte berücksichtigen Sie für den Fall, dass es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG handelt, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag. Ohne vorherige Registrierung ist eine Antragstellung nicht möglich.

Das Begutachtungskolloquium des Schwerpunktprogramms wird am 13. Januar 2015 in Frankfurt/Main stattfinden.

Weitere Informationen

Weitere Informationen zum Schwerpunktprogramm bietet die Website:

Den Zugang zur Antragstellung über das elan-Portal finden Sie unter:

Das Merkblatt zu Schwerpunktprogrammen (DFG-Vordruck 50.05) steht unter:

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

  • Prof. Dr.-Ing. Stefan Heinrich,
    TU Hamburg-Harburg,
    Institut für Feststoffverfahrenstechnik und Partikeltechnologie,
    Tel.: +494042878-3750,
    stefan.heinrich@tuhh.de

Fragen zur Antragstellung beantworten Ihnen die DFG-Ansprechpartner:

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