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A generalized framework for multi-scale simulation of complex crystallization processes = Das verallgemeinerte Rahmenwerk für mehrskalige Simulation komplexer Kristallisationsprozesse



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Viacheslav Kulikov

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangXII, 228 S. : Ill., graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010


Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-09-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-36768
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64458/files/3676.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Prozesstechnik (416410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kristallisation (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Software (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; mehrskalige Simulation (frei) ; modulare Simulation (frei) ; crystallization (frei) ; modeling (frei) ; software (frei) ; multi-scale simulation (frei) ; modular simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
ccs: J.6

Kurzfassung
Die vorgestellte Arbeit verfolgt das Ziel der Entwicklung einer softwaretechnischen und algorithmischen Lösung für die dynamische Simulation komplexer Multiskalenprobleme mit mehreren Phänomenen, die auf der Darstellung dieser Probleme als verallgemeinerte Prozessfließbilder sowie auf der Kopplung spezialisierter Simulationssoftware basiert. In der Arbeit sind alle Aspekte dieser Lösung vorgestellt. Die softwaretechnische und algorithmische Lösung umfasst die Anwendung einer Integrationsplattform CHEOPS zur Repräsentation der Prozessfließbilder und der dynamischen Simulation dieser Fließbilder mit Hilfe der internen Algorithmen von CHEOPS. Die Apparate, aus denen das Prozessfließbild besteht, sind als Module des Fließbilds abgebildet. Die Module werden durch die mathematischen Modelle oder Modelle in externen Simulationswerkzeugen beschrieben. Die Schnittstellen zu verschiedenen externen Simulationswerkzeugen wie FLUENT, Parsival, gPROMS, MATLAB und HYSYS wurden im Rahmen von CHEOPS implementiert. Algorithmen für die modulare dynamische Simulation wurden entwickelt und zur Lösung eines einfachen Kristallisationsprozesses verwendet. Der entwickelte, gekoppelte Simulationsansatz wurde für die Lösung eines Kristallisation-Fluiddynamik-Problems eingesetzt, wobei die Kristallisation mit einem Populationsbilanzmodell und mit kinetischen Gleichungen beschrieben wurde. Dafür wurde die Darstellung eines Multiskalenproblems mit mehreren Phänomenen als ein verallgemeinertes Fließbild vorgeschlagen, wobei die Phänomene als Subprobleme interpretiert werden und als Module des Fließbilds dargestellt werden. Es wurden mehrere Alternativen für die Dekomposition des gesamten Problems in die Subprobleme und für die Auswahl der Variablen für die Kopplung zwischen den Subproblemen diskutiert. Weil die betrachteten Phänomene verschiedene charakteristische Skalen besitzen, wurden für die entsprechenden Subprobleme verschiedene Diskretisierungen verwendet, was ebenfalls die Dekompositionsstrategie beeinflusste, so dass in jedem Subproblem die am besten passende Diskretisierung verwendet wurde. Für das Fluiddynamikproblem wurde ein feines räumliches Gitter, und für das Kristallisationsproblem wurden entsprechend grobskalige Kompartmente definiert. Verschiedene Methoden für die Skalenintegration zwischen verschiedenen räumlichen Gittern wurden implementiert. Die Fehlerquellen für die vorgestellte Methode und die Schwierigkeiten der Fehlerschätzung für das betrachtete Problem wurden diskutiert. Die entwickelte Methode wurde für eine Fallstudie eingesetzt, die eine Validierung der Lösung mittels gekoppelter Simulation mit Hilfe der Momentenmethode ermöglichte. Die Hauptquellen der Fehler sind Inkonsistenzen zwischen den Problemformulierungen auf den verschiedenen Gittern sowie die Lösungsfehler auf dem groben Gitter, die durch die Mittelung der Variablen in den Kompartmenten entstehen. Um die Mittelungsfehler zu verringern, wurde die Adaptation der groben Gitter vorgeschlagen, so dass die Grenzen der Kompartmente während der Laufzeit entsprechend den vordefinierten Kriterien geändert werden. Eine Methode für die Laufzeitadaptation wurde dabei entwickelt. Die Simulationen wurden mit verschiedener Wahl der Kriterien ausgeführt. Die Ergebnisse der adaptiven Simulation waren stark von der Kriterienwahl abhängig. Eine Verbesserung der Ergebnisse im Vergleich mit der nicht adaptiven Lösung konnte bei Betrachtung der Kinetik zusammen mit der Verweilzeit im Apparat erreicht werden. Die entwickelte Methode wurde für die Simulation einer komplexen Kristallisationsfallstudie erfolgreich eingesetzt. Dabei wurde ein Labor-Kristallisator durch ein komplexes Modell beschrieben, das aus dem Fluiddynamikmodell, dem Populationsbilanzmodell und den aus der Literatur entnommenen Modellen der Kristallisationskinetiken besteht. Das gesamte Modell wurde im Rahmen des Ansatzes als verallgemeinertes Fließbild dargestellt und gelöst. Allerdings führte der große Unterschied in den charakteristischen Zeitskalen zu langen Rechenzeiten, die Lösung wurde oft durch Schwierigkeiten der numerischen Simulation gestört, und die erreichte Genauigkeit war nicht zufriedenstellend.

The objective of the presented thesis is the development of a software-technical and algorithmic solution for the dynamic simulation of complex multi-scale problems in the field of crystallization and fluid dynamic process modeling. In the thesis, all aspects of the problem solution are considered. The proposed solution is based on the representation of the complex problem in the form of a generalized process flowsheet. This flowsheet is solved by the specialized software simulation tools coupled by means of an integration platform CHEOPS. CHEOPS supports representation of the process flowsheet and includes the algorithms for the flowsheet simulation. The units of the flowsheet (usually, the apparatuses) are represented by externally stored mathematical models and solved by the simulation software. To enable integration into the flowsheet model, interfaces to a number of external software tools such as FLUENT, Parsival, gPROMS, MATLAB and HYSYS have been implemented in CHEOPS. The modular dynamic simulation algorithm for the solution of the flowsheet problem was developed and tested first on the illustrative example, which represents a crystallization process flowsheet. The developed coupled simulation approach is further applied to the solution of the multi-scale problem, which involves a fluid dynamics subproblem and crystallization subproblem described with the population balance and the crystallization kinetics. This multi-scale problem is represented as a generalized flowsheet, where process phenomena are represented as flowsheet units. Different decomposition options and choices of the coupling variables to be transferred between the subproblems are analyzed. As the considered phenomena have different scales, discretization grids for the individual subproblems have to be chosen. The problem decomposition is performed such that for each subproblem, the best matching spatial grid is determined. The fine spatial grid is introduced for the fluid dynamics, and the coarse grid (compartments) is introduced for the crystallization subproblem. Scale integration techniques to bridge between the grids are implemented and evaluated. The error sources in the coupled simulation are discussed and the problems that arise in the error estimation are formulated. The method was successfully applied to an illustrative example, for which the validation using a reduced approach (Method of Moments) was possible, and the errors can be evaluated. It was found that the two major causes of deviation from the reference solution are inconsistencies in the problem formulation between the subproblems, which cannot always be avoided, and the choice of the coarse grid, which introduces discretization error for the quantities within the compartments. Further development of the method was done by introducing a compartment adaptation, where the compartment boundaries are adjusted according to specified criteria during runtime using the adaptation procedure developed in the study. Simulations with adaptation were performed for different choices of criteria. The adaptation method showed ambiguous results depending on the choice of criteria. In particular, the predictions improved when both the kinetics and the residence times were accounted for. The developed generalized flowsheet method was applied for the complex case study where the crystallization and the fluid dynamics models were solved for a lab-scale crystallizer and state-of-the-art models of the process kinetics, taken from the literature. The method succeeded to simulate this model as a generalized flowsheet and can be used for the other problems with similar complexity. However, due to large differences of time scales of the subproblems, the simulation time was large, thus the model solution was found to be dependent on small disturbances, and the simulation accuracy was insufficient.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-CONV-125765
Datensatz-ID: 64458

Beteiligte Länder
Germany

 GO


OpenAccess

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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mechanical Engineering (Fac.4)
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416410

 Record created 2013-01-28, last modified 2022-04-22


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