Prozessmodellierung in der Hochtemperaturverfahrenstechnik

Description

Einleitung Paradigmen und Zielkonflikte High-Tech versus Low-Tech Die Prozesstechnik aus der Sicht der Informatik Der Prozess als black box Die Rechengeschwindigkeitszahl T Die Datenreduktionszahl M Komplexe Systeme und Grundprinzipien Prozessmodelle in der Grundlagenforschung Prozessmodelle in der Verfahrenstechnik Prozessmodelle in automatisierten Produktionsumgebungen Operations Research Aufbau dieser Arbeit Metamodellierung Definitionsphase eines Prozessmodells Schnittstellendefinition Andere Bilder und Modelldefinitionen Offene Systeme, innere Dimensionen und Systemzustände Chargen- und kontinuierliche Prozesse, der Einsatzfall Dimensionslose Kennzahlen Einzelprozesse und Prozessklassen Einheitliche und offene Schnittstellen Die zeitabhängigen Eingangsgrößen xi(t) Die Modellparameter pk Die inneren Zustandsgrößen zl Die zeitabhängigen Ausgangsgrößen yj(t) Die Modellkardinalität D Äquifinalität Einsatzfelder und Ziele von Prozessmodellen Prozessverständnis und Technologietransfer Auslegung und Optimierung von Anlagen und Prozessen Auslegung von Experimenten und Versuchsplanung Auswertung von Experimenten, Analyse von Betriebsdaten Online Modellierung und Visualisierung Anlagensteuerung: Modellbasierte Regelung Der Fluch der Dimensionalität Der n-dimensionale Raum Hochdimensionale Modelrepräsentation (HDMR) Reduzierung der Dimensionalität Das Existenzdiagramm der Prozessmodellierung Was ist ein Prozessmodell: Kategorien Empirische Modelle Mechanistische Modelle Datengetriebene Modelle Cargo-Kult Modelle Die iterative Prozedur der systematischen Prozessmodellierung Genauigkeit, Sensitivitätsanalyse, Steifigkeit und Rauschen Genauigkeit Verzweigungspunkte (Bifurkationen) Lokale Sensitivitätsanalyse Linearisierung von Prozessmodellen Merkmalsensitivität Globale Sensitivitätsanalyse Steifigkeit Rauschen Monte-Carlo Modelle Leitlinien und Falsifikationskriterien Parameteridentifikation und Schätzung Korrelation, Kontingenz und Kausalität Datengewinnung zur Modellparametrierung Vertrauensintervalle und Bestimmtheitsmaß Anmerkungen zur Parameteridentifikation Modellverifikation Modellvalidierung Teilvalidierung im Labor Validierung mit Betriebsdaten Messabweichungen Statistische Modellvalidierung Validierbarkeit Singuläre Modelle Vorhersagen, Interpolation und Extrapolation Kausale, deterministische und stochastische Prozesse Interpolation und Extrapolation Modellcharakterisierung und Bewertung Vollständigkeit Performanz und Ressourcenbedarf Zuverlässigkeit und Robustheitsanalyse Modellqualität Modellauswahl und Einsatz mehrerer Modelle Datenanalyse und Datenabgleich Ausreißer und grobe Fehler Datenabgleich auf der Basis von Erhaltungssätzen Datenbasierte Ersatzmodelle und Systemidentifikation Hauptkomponentenanalyse Antwortflächenmethode Kriging und Splines Ballungsanalyse Support Vector Machines Künstliche neuronale Netze Mehrebenenanalyse Probleme mit Ersatzmodellen Metamodelle für Optimierungsaufgaben Metamodelle aus Prozessmodellen der Grundoperationen Inverse Modellierung und Regularisierung Auslegung und Optimierung von Prozessrouten Optimierung von Anlagenfahrweisen Implementierung von Prozessmodellen Implementierung aus Anwendersicht Implementierung aus Entwicklersicht Fazit und kritische Diskussion Executive summary Leitlinien für den Nutzer von Prozessmodellen Leitlinien für den Entwickler von Prozessmodellen Beispiel: Auslegung und Betrieb einer Kühlstrecke Problemstellung Physikalische Aufgabenstellung Betriebliche Aufgabenstellung Stand der Technik Labordaten Prozessmodell Inverses Prozessmodell Modellanalyse Sensitivitätsanalyse Modellvalidierung Modellbewertung Optimale Anlagenauslegung Optimale Betriebsparameter Fazit und Diskussion Physikalische Grundlagen der Prozessmodellierung Paradigmen physikalisch motivierter Modelle Reale Systemzustände Fest in Fest: Heterogene Werkstoffe Fest, Flüssig und Gasförmig in Fest: Schüttungen Fest in Flüssig: Aufschmelz- und Lösungsprozesse Flüssig in Fest: Erstarrungsprozesse Fest und Flüssig in Gasförmig: Verbrennungsprozesse Flüssig in Flüssig: Emulsionen Gasförmig in Flüssig: Blasenschwärme und Schäume Auswirkungen komplexer Systemzustände Thermodynamik Grundbegriffe: Systeme, Zustandsgrößen, … Der erste Hauptsatz Der zweite Hauptsatz Der dritte Hauptsatz Gleichgewicht und thermodynamische Potentiale Thermodynamische Prozesse und Triebkräfte Ideale und reale Gase, Mischungen Chemische Reaktionen Heterogene Gleichgewichte, Mischungen und Lösungen Thermodynamische Beschreibung einzelner Phasen Thermodynamische Daten Diagramme in der Thermodynamik Thermodynamik der irreversiblen Prozesse Prozesse mit Phasenübergängen Fazit und kritische Diskussion der Thermodynamik Kontinuumsmechanik Erhaltung der Masse Erhaltung der Spezies Erhaltung des Impulses Erhaltung der Energie Allgemeine Form der Erhaltungsgleichungen Turbulenz Strahlungstransport Mehrphasenströmungen Elastizitätstheorie Thermomechanik Spezielle Phänomene Elektrodynamik Magnetohydrodynamik Elektrochemie Rheologie und Materialgesetze Wärmedehnung Plastizität und Fließkriterien Komplexe Systeme, Selbstorganisation und Emergenz Synergetik Komplexe Systeme Bifurkationen und Deterministisches Chaos Die fraktale Geometrie der Natur Selbstorganisation und Kritikalität Emergenz Fazit und kritische Diskussion Ingenieurwissenschaftliche Grundlagen der Prozessmodellierung Grundoperationen, Prozessintensivierung und Systemverfahrenstechnik Computer Aided Process Engineering (CAPE) Systemtheorie und Kybernetik Ähnlichkeitstheorie in der Hochtemperaturverfahrenstechnik Konvektive Phänomene bei Hochtemperaturprozessen Grenzschicht-Theorie Mehrphasenströmungen Chemische Kinetik Kinetische Reaktionsordnung Die Unabhängigkeit der chemischen Reaktionen Bestimmung von Reaktionsraten Reaktionsinvarianten Gleichgewichtsreaktion Chemische Mikro- und Makrokinetik Wärme- und Stoffübergang Film- und Penetrationstheorie Wärmeübergang in der Kühltechnik Angewandte Reaktionskinetik Verfahrens- und Prozesstechnische Aspekte Reaktortheorie Chemische Reaktionstechnik Regelungstechnik Prozessinstrumentierung Aktuatoren in der Hochtemperaturverfahrenstechnik Visualisierungen, Diagramme und Pläne Visualisierung Fließschemata Stoff- und Energieflüsse im Sankey-Diagramm Visualisierung der zeitlichen Abläufe Fazit und kritische Diskussion Ortsaufgelöste Prozessmodelle Validierung von ortsaufgelösten Modellen Physikalische Modellierung Numerische Strömungsmechanik Kopplung von Kontinuumsmechanik und Reaktionskinetik Beispiele aus der Hochtemperaturverfahrenstechnik Resümee Beispiel: Schalenbildung beim Stranggießen von Stahl Problemstellung Stand der Technik Phänomenologie der Strangschalenbildung Wärmeübergang in der Kokille (Primärkühlung) Energieabtransport in der Kokille Strömungsphänomene in der Kokille Thermomechanische Modelle der Strangschalenbildung Mechanische Daten im Bereich der Erstarrungtemperatur Wärmeübergang in der Sekundärkühlung Oszillationsmarken und Hakenbildung Heißrisse und Versagenskriterien Anwendungen thermomechanischer Modelle beim Strangguss Das CCSF2D Prozessmodell Modellierung des Wärmeübergangs zur Kokillenoberfläche Modellierung des Materialverhaltens Modellparameter Simulationsergebnisse Validierung des CCSF2D Modells Sensitivitätsanalyse des CCSF2D Modells Sensitivität bezüglich der numerischen Parameter Sensitivität bezüglich der Prozessparameter Sensitivität bezüglich der externen Parameter Weitere Prozess relevante Parameter Fazit und kritische Diskussion Zonen basierte Prozessmodelle Die Kategorie Zonenmodell Mathematische Modellbildung Differentiell Algebraische Gleichungssysteme Mehrskalenmodelle Systematiken und Netzwerktheorien Softwaresysteme zur Modellbildung Leitfaden zur Modellgewinnung und Zoneneinteilung Beispiele Historische Entwicklung Ein Prozessmodell für den LD-Konverter Resümee Beispiel Elektrolichtbogenofen Stand der Technik Statische und dynamische Prozessmodellierung Prozessinstrumentierung Modellbasierte Prozessregelung Das EAFn Modell Partielle lokale Sensitivitätsanalyse Vorhersagen zur Aufschmelzkinetik Vorhersagen zur Ofenfahrweise Vorhersagen zum Einschmelzen von DRI Parameteridentifikation Fazit und akademische Empfehlungen Resümee Symbole und Kennzahlen Einheiten und Naturkonstanten Literaturverzeichnis Index