| Theorie und Anwendung nichtlinearer Wellenausbreitungsphänomene bei kombinierten Reaktions/Stofftrennprozessen |
Schlüsselwörter:
reaction separation processes, reactive distillation, chromatographic reactor, equilibrium theory, nonlinear waves, process control, observer design, asymptoticaly exact input/output-linearization
Reaktions-/Stofftrennprozesse, Reaktivdestillation, Chromatographische Reaktoren, Gleichgewichtstheorie, nichtlineare Wellen, Prozessführung, Beboachterentwurf, Asymptotisch exakte Ein-/Ausgangslinearisierung
Sachgruppe der DNBAbstract
In the chemical industry the demands regarding process efficiency are permanently increasing. At the same time methods to design indiviual process stages and interconnect them to higly integrated process are reaching their preformance limit. To overcome these limitations the focus of current research has turned to combined processes, i.e. processes that combine the tasks of different process stages into a single process stage. The thesis at hand concentrates on combined reaction/separation processes, namely reactive distillation and reactive chromatography. In order to fully understand and exploit these processes a theory describing their stationary and dynamic behavior is developed. This theory is based on a transformation to equivalent separation processes in the limit of simultaneous phase and reaction equilibrium and enables an analysis in the framework of nonlinear wave propagation theory. A subsequent discussion of secondary effects such as e.g. finite reaction rates and finite mass transfer rates then shows that the theoretical results may be extended to processes that are sufficiently close to simultaneous phase and reaction equilibrium. The developed theory is used to analyse processes ranging from simple model systems to highly complex multi reaction systems. In the analysis of simple model systems analogies between separtion processes and corresponding combined reaction/separation processes as well as distillation and chromatographic processes are revealed. In the analysis of the complex multi reaction systems the developed theory is a valuable tool since it gives a global picture of the system dynamics. Finaly new concepts for process control are developed based on the comprehensive insight to the process dynamics provided by the developed theory. These concepts comprise constructive methods to observer design, a model based control concept for chromatographic processes as well as nonlinear and model predictive control of distillation columns.
Die Anforderungen an die Effizienz der in der Chemischen Industrie verwendeten Prozesse steigt ständig. Gleichzeitig haben die Methoden zur Auslegung der einzelnen Prozessstufen und deren Verbindung zu hochintegrierten Prozessen ihre Grenzen erreicht. Um diese Begrenzungen zu überwinden konzentriert sich die aktuelle Forschung auf kombinierte Prozesse, d.h. Prozesse bei denen in einer einzelnen Prozessstufe mehrere Prozesse kombiniert werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit kombinierten Reaktions-/Stofftrennprozessen am Beispiel der Reaktivdestillation und der reaktiven Chromatographie. Zur Gewinnung und Ausnutzung eines umfassenden Prozessverständnisses wird eine Theorie zur Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens dieser Prozesse entwickelt. Diese Theorie basiert auf einer Transformation in einen äquivalenten Stofftrennprozess unter der Annahme von simultanem Phasen- und Reaktionsgleichgewicht und ermöglicht so einen Analyse im Rahmen der Theorie der nichtlinearen Wellenausbreitung. In einer anschließenden Diskussion sekundärer Effekte wie z.B. endlicher Reaktions- und Stoffaustauschraten zeigt sich dann, dass die theoretischen Ergebnisse auch auf Prozesse die hinreichend nahe dem simultanen Phasen- und Reaktionsgeichgewicht betrieben werden angewendet werden können. Die Analyse einfacher Beispielprozesse mit der entwickelten Theorie deckt Analogien zwischen Stofftrenn- und entsprechenden kombinierten Reaktions-/Stofftrennprozessen sowie Destillation und Chromatographie auf. Die entwickelte Theorie ist bei der anschließenden Analyse komplexer Multireaktionsprozesse ein wertvolles Hilfsmittel da sie ein globales Abbild der Systemdynamik liefert. Das so gewonnene umfassende Prozessverständnis wird schließlich bei der Entwicklung neuer Konzepte zur Prozessführung genutzt. Diese Konzepte umfassen z.B. eine konstruktive Methode zum Beobachterentwurf, ein modellbasiertes Regelungskonzepte für chromatographische Prozesse bis hin zur nichtlinearen und modelprädiktiven Regelung von Destillationskolonnen.
| Betreuer | Kienle, Achim; Prof. Dr.-Ing. |
| Gutachter | Marquardt, Wolfgang; Prof. Dr.-Ing. |
| Upload: | 2007-06-18 |
| URL of Theses: | http://diglib.uni-magdeburg.de/Dissertationen/2007/stegruener.pdf |