Prozessimulation

Prozesssimulation ist ein sehr hilfreiches Werkzeug, um verfahrenstechnische Prozesse abzubilden, zu optimieren und auszuwerten. Dabei werden die wichtigsten Untereinheiten wie chemische Reaktoren, Wärmeübertrager oder Destillationskolonnen basierend auf detaillierten kinetischen Modellen, Gleichgewichtsmodellen, experimentellen Daten oder empirischen Gleichungen modelliert und zu Gesamtprozessen verbunden. Gängige Prozesssimulationsprogramme wie Aspen Plus nutzen detaillierte Stoffdatenbanken als Basis und mithilfe eines Solvers werden für die Modelle der Untereinheiten die Massen- und Energiebilanzen gelöst. Aus den resultierenden Stoff- und Energieströmen und Ergebnissen der einzelnen Anlagenelemente, lassen sich Schlüsselparameter wie zum Beispiel Energieeffizienzen oder CO₂ Emissionen von Prozessen bestimmen. Außerdem können die Ergebnisse als Eingangswerte für ökonomische Analysen dienen. 

Am Lehrstuhl für Energiesysteme nutzen wir Prozesssimulation für die Modellierung verschiedenster Prozesse im Kontext Energieumwandlung (z. B. Dampfkraftprozesse mit Wasser oder anderen Fluiden) und chemischer Synthese (z. B. erneuerbare Methanolsynthese). Dabei wird die Prozesssimulation in praktischen Arbeiten oft als Auslegungshilfe genutzt während in theoretischen Studien meist der Fokus auf dem Vergleich und der Optimierung verschiedener Prozesskonfigurationen zur Herstellung erneuerbarer Chemikalien und Kraftstoffe liegt. Abbildung 1 entstammt aus einer veröffentlichten Studie des Lehrstuhls, in welcher die Herstellung von nachhaltigem Flugtreibstoff aus CO2 aus der Luft und Wasserstoff aus Elektrolyse modelliert und techno-ökonomisch ausgewertet wird [1]. Der Fokus der Studie liegt auf einem Vergleich von zwei thermochemischen Prozessen, Fischer-Tropsch-to-Jet und Methanol-to-Jet, bei denen ein Synthesegas aus H₂, CO und CO₂ katalytisch zu flüssigen Kohlenwasserstoffen umgesetzt wird.

Am Lehrstuhl für Energiesysteme spielt die numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) eine zentrale Rolle bei der Untersuchung komplexer thermo-chemischer Prozesse. Mit Hilfe von CFD modellieren und analysieren wir Strömungsvorgänge, Wärme- und Stofftransport sowie chemische Reaktionen. Dies ermöglicht uns, detaillierte Einblicke in physikalische und chemische Abläufe zu gewinnen, die experimentell oft nur schwer zugänglich sind.

Schwerpunkt unserer Arbeiten ist es, fundierte numerische Modelle zu entwickeln, diese auf Grundlage experimenteller Daten von Pilotanlagen zu validieren, um die Erkenntnisse schließlich auf Realanlagen zu übertragen. Dabei steht die Simulation von Vergasungs- und Verbrennungsprozessen in verschiedenen Reaktortypen im Fokus. Hierbei betrachten wir sowohl die gasseitige Reaktionsabläufe als auch das Umsatzverhalten von Feststoffpartikeln wie Biomasse oder Reststoffe. Durch die Kopplung von Strömungsmechanik, Reaktionskinetik und Partikelmodellierung können wir die Wechselwirkungen zwischen Gasphase und festen Brennstoffen präzise untersuchen. Die entwickelten Modelle können beispielsweise für die Optimierung industrieller Reaktorkonzepte und zur Reduktion von Schadstoffemissionen realer Anlagenverwendet werden.

Anwendungsbeispiele: