Die Entwicklung nachhaltiger chemischer Prozesse bleibt eine Herausforderung. In dieser Arbeit wird ein Mixed-Integer Nonlinear Programming (MINLP)-Framework für die optimierungsbasierte Prozesssynthese entwickelt, basierend auf einer Superstruktur mit abstrahierten phänomenbasierten Bausteinen (PBB), die die Darstellung und Ermittlung von synergetischen Designs wie etwa intensivierter Apparate oder Wärmeintegration unmittelbar ermöglicht. Das neue Framework zielt sowohl auf eine hohe Modellgüte durch die Implementierung von thermodynamisch fundierten Modellen als auch auf Allgemeingültigkeit durch den Einsatz einer vielseitigen State-Space-Superstruktur, die einen großen Lösungsraum abdeckt. Das entstehende MINLP wird innerhalb der mathematischen Programmierplattform GAMS gelöst. Um die Handhabbarkeit im Hinblick auf die Problemlösung zu gewährleisten, wird eine Ebene mit einem Strukturscreening eingezogen, die die Teilprobleme basierend auf binären Entscheidungsvariablen der Superstruktur durch graph- und regelbasierte Analysen vorab prüft und nicht-physikalische Strukturen ohne Lösung des zugrunde liegenden Teilproblems aussortiert. Die Konsistenz des generierten Codes für die verschiedenen Programmbereiche des mehrschichtigen MINLP-Frameworks wird gewährleistet, indem ein MathML / XML-Datenmodell erstellt und der Code anschließend exportiert wird. Um den Code der Funktionsaufrufe für die externen Berechnungen von thermodynamischen Eigenschaften automatisch zu generieren, werden im Rahmen dieser Arbeit die Modellierungs- und Exportmöglichkeiten des im Fachgebiet Dynamik und Betrieb technischer Anlagen (dbta) entwickelten Tools MOSAICmodeling erweitert. Die Erweiterungen umfassen neuartige Zerlegungsmethoden hinsichtlich der Modellhierarchie und Klassifizierungen von Variablen auf der MathML / XML-Ebene. Das MINLP-Framework wird erfolgreich auf zwei anspruchsvolle Aufgaben der Prozesssynthese angewendet, um die Trennung der Feedströme von Benzol und Toluol sowie von n-Pentan, n-Hexan und n-Heptan unter Verwendung von Superstrukturen mit zwei beziehungsweise vier PBB zu bestimmen. Das Strukturscreening erweist sich als entscheidend für die Bestimmung der Prozessstrukturen. Allerdings ist die Lösung beider Syntheseaufgaben recht rechenintensiv. Daher lädt diese Arbeit zu weiteren Untersuchungen von Maßnahmen zur Steigerung der Leistung des Frameworks und der von ihm beherrschbaren Problemgröße ein, beispielsweise durch die Implementierung einer rigorosen Initialisierungsmethode. Zur Vermeidung von numerischen Problemen aufgrund von diskontinuierlichen Ableitungen, die typischerweise an Phasengrenzen auftreten, wird der Prozessdruck in dieser Arbeit konstant gehalten. Ein weiteres interessantes Gebiet für weiterführende Forschung ist daher die Implementierung von generalisierter Ableitungsinformationen zur Erweiterung der Superstruktur für variierende Drücke im System, insbesondere in Hinblick auf die korrekte Behandlung von Phasenübergängen.
David Krone (Thu,) studied this question.