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2025-06-16T00:41:14Z

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Die '''Prozesssimulation''' ist ein Hilfsmittel zur Entwicklung und Optimierung der technischen Prozesse in [[Verfahrenstechnik|verfahrenstechnischen]] oder [[Chemische Fabrik|chemischen Anlagen]].<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Jürgen Gmehling, Bärbel Kolbe, Michael Kleiber, Jürgen Rarey |Titel=Chemical thermodynamics : for process simulation |Ort=Weinheim |Datum=2012 |ISBN=978-3-527-31277-1}}</ref>

== Prinzipien ==
Die Prozesssimulation ist im Wesentlichen ein Abbild chemischer Prozesse und [[Grundoperation]]en in Computerprogrammen. Für die Modellierung ist eine Reihe von Kenntnissen notwendig<ref name=":0" />:
* chemische und physikalische Reinstoff- und Gemischeigenschaften (durch Messungen, Recherche in Datenbanken, Korrelationen oder Abschätzungen),
* Stoff- und Energietransport,
* Geräteeigenschaften ([[Chemischer Reaktor|Reaktoren]], [[Kolonne (Verfahrenstechnik)|Kolonnen]], [[Mischen (Verfahrenstechnik)|Mischer]], [[Kondensator (Verfahrenstechnik)|Kondensatoren]], [[Verdampfer (Verfahrenstechnik)|Verdampfer]] etc.),
* [[Reaktionsmechanismus|Reaktionsmechanismen]] und [[Kinetik (Chemie)|Kinetik]], siehe hierzu [[Chemische Reaktionstechnik]],
* geeignete mathematische, physikalische und chemische Modelle
* effiziente Lösungsverfahren.

Die Prozesssimulation sorgt dafür, dass die Stoff- und Energiebilanzen stimmen und in ein stabiles [[Chemisches Gleichgewicht|Gleichgewicht]] gebracht werden. Meist werden die Prozesse gleichzeitig visualisiert.

== Geschichte ==
Die ersten Versuche, Prozesse elektronisch zu simulieren, wurde bereits in den 1950er Jahren auf [[Analogrechner#Elektronische Analogrechner|elektronischen Analogrechnern]] vorgenommen. Diese Lösungsansätze wurden jedoch sehr schnell zugunsten von Simulationen auf [[Digitalrechner]]n aufgegeben.

Erste Entwicklungen in der digitalen Prozesssimulation chemischer Anlagen wurden in den 1970er Jahren begonnen, da hier das erste Mal geeignete Hardware und Software (hier insbesondere die Programmiersprache [[Fortran]]) zur Verfügung standen. Die Modellierung physikalischer Eigenschaften ist bereits wesentlich früher begonnen worden, hier sind beispielsweise kubische Zustandsgleichungen (siehe etwa [[Van-der-Waals-Gleichung]]) und Korrelationen (siehe etwa [[Antoine-Gleichung]]) zu nennen, die bereits im 19. Jahrhundert entwickelt wurden und heute teilweise noch verwendet werden. Auch Untersuchungen zur Kinetik chemischer Umsetzungen und zu Reaktionsmechanismen waren weit fortgeschritten. Apparateeigenschaften waren ebenfalls bereits weitgehend modelliert worden, so dass alle Werkzeuge zur Verfügung standen, vollständige chemische Prozesse [[in silico]] (ausschließlich mittels Computern) zu modellieren und zu berechnen.

Gleichzeitig hat die Entwicklung der Prozesssimulation die Fortentwicklung der diversen Modelle für die Abschätzung von [[Stoffeigenschaft]]en, von [[Reaktionsmechanismus|Reaktionsmechanismen]], deren Kinetik, von Apparateeigenschaften etc., aber insbesondere auch die Entwicklung von [[Faktendatenbank]]en stark beschleunigt. Faktendatenbanken dienen heute dazu, Abschätzverfahren und Korrelationen weiterzuentwickeln.

== Statische und dynamische Prozesssimulation ==
Ursprünglich wurde die Prozesssimulation nur auf stationäre Anlagen angewandt. Dabei erhält man eine vollständige [[Massenerhaltungssatz|Massenbilanz]] und Energiebilanz eines stationären Zustandes auf der Basis von Modellen. Diese ''statische'' Simulation wird heute durch die ''dynamische'' Simulation ergänzt. Dynamisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zeitlich abhängige Ergebnisse berechnet werden. Somit kommt es im Prozess zur Akkumulation und zeitlichen Änderung von [[Zustandsgröße]]n und [[Prozessgröße]]n. Im Prinzip wird das [[Fließbild|Fließschema]] infinitesimal betrachtet und als [[Differentialgleichung|Differenzialgleichungssystem]] numerisch berechnet. Dieses Verfahren benötigt eine wesentlich höhere [[Rechenleistung]], erlaubt aber auch den Übergang zur Kontrolle und Führung chemischer Anlagen in [[Echtzeit]]. Ein einfaches Beispiel ist das Füllen oder Entleeren eines Behälters. Bei der dynamischen Simulation lassen sich insbesondere Regelvorgänge (PID-Regler), Holdups und chemische Reaktionen sehr realistisch darstellen.

Als Besonderheit der dynamischen Simulation kann die [[ereignisorientierte Simulation]] bezeichnet werden, in der nur die zeitliche Änderung aufgrund von Ereignissen (oder Events) zur Änderung führt. Zwischen den Ereignissen wird interpoliert. Dies kann sich vor allem bei komplex modellierbaren Systemen lohnen, in der die Simulation eines gesamten oder mehrerer Prozesse von Relevanz ist (z. B. zur [[Modell]]ierung der Produktionsplanung eines Pharmastandortes).

== Phasengleichgewichte ==

Das häufigste [[Phasengleichgewicht]] ist das [[Dampf-Flüssig-Gleichgewicht]] (meist mit VLE für Vapor-Liquid Equilibrium abgekürzt), welches insbesondere bei [[Gaswäsche]]n und bei der [[Rektifikation (Verfahrenstechnik)|Rektifikation]] von Bedeutung ist. Aber auch bei der Berechnung von [[Siedepunkt|Siede]]- und Tautemperaturen wird es angewandt. Bei idealen Stoffen, wie etwa [[Alkane]]n, genügt als Modell das [[Raoultsches Gesetz|Raoult-Daltonsche Gesetz]], welches auf der Definition des Partialdrucks beruht. Bei nichtidealen Gemischen wird in der [[Flüssigkeit|Flüssigphase]] der [[Aktivitätskoeffizient]] und in der [[Gasphase]] der [[Fugazität]]skoeffizient berechnet und damit das Raoult-Daltonsche Gesetz korrigiert. Während der Fugazitätskoeffizient gut aus der [[Zustandsgleichung]] (häufig Soave-Redlich-Kwong) eines jeden einzelnen Stoffes in einem Gemisch berechnet werden kann, ist der Aktivitätskoeffizient von den binären Wechselwirkungen abhängig. In einem Gemisch mit z. B. 10 Inhaltsstoffen existieren 45 binäre Wechselwirkungen. Daher müssten in diesem Fall 45 VLE vermessen werden. VLE-Messungen sind in Datenbanken z. B. der DETHERM oder der [[Dortmunder Datenbank|DDB]] und in der Literatur wie z. B. [[DECHEMA]] Data Collection zu finden. Darin findet man auch die zugehörenden Parameter geeigneter Modelle wie z. B. [[Non-Random-Two-Liquid-Modell]] (NRTL). Für viele binäre Gemische, die nicht vermessen wurden, lassen sich die Modellparameter mittels der [[UNIFAC]]-Methode abschätzen. Das UNIFAC-Modell ist u. a. im VDI-Wärmeatlas beschrieben.

Je stärker die Aktivitätskoeffizienten von eins abweichen, umso deutlicher unterscheidet sich das xy-Diagramm (x bezeichnet die Zusammensetzung der Flüssigkeit, y die Dampfzusammensetzung) von dem eines idealen VLE, bis es schließlich die Diagonale schneidet bzw. eine S-Kurve bildet, was das Zeichen für [[Azeotrop]]ie und ggfs. eine [[Mischungslücke]] ist. Dies kann man leicht am Portermodell demonstrieren.

Letztendlich ist es auch möglich, mit dem Non-Random-Two-Liquid-Modell (NRTL) ein Liquid-Liquid-Equilibrium (LLE) zu berechnen, vorausgesetzt, die Parameter sind bekannt. Näherungsweise kann man mit VLE-NRTL-Daten durchaus ein LLE berechnen. Je größer die [[Mischungslücke]] ist, z. B. [[Benzol]]-[[Wasser]], desto geringer ist der Fehler. Beim System [[N-Butanol]]-Wasser mit geringerer Mischungslücke ist die Näherung nicht akzeptabel. Mit geeigneten Daten können sogar komplexe LLE wie [[3-Methylpyridin]]-Wasser mit elliptischen Gleichgewichtslinien berechnet werden.

Auf der Basis geeigneter Daten für die [[Schmelzenthalpie]] kann man mit dem NRTL-Modell sogar Feststofflöslichkeiten (Fest-Flüssig-Gleichgewicht, kurz SLE für Solid-Liquid-Equilibrium) berechnen. Bei vielen Stoffen wie z. B. den sehr engsiedenden Stoffen 1-Methyl-Naphthalin und 2-Methyl-Naphthalin ergibt sich unmittelbar ein [[Eutektikum]], dessen Lage eine gute Näherung zur Realität darstellt.

== Datenbank ==

Die in der Prozesssimulation verwendeten Stoffe werden aus einer [[Faktendatenbank|Datenbank]] ausgewählt.<ref name=":0" /> Die Datenbank enthält Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe. [[Polymer]]e und [[Elektrolyt]]e. Sie kann mit eigenen Stoffen und Daten per Regression erweitert werden. Die Datenbank bietet temperaturunabhängige Daten wie z. B. kritischer Druck und Temperaturfunktionen für bspw. den [[Dampfdruck]], spezifische [[Wärmekapazität]] usw. Bekannte Datenbanken sind DETHERM und die [[Dortmunder Datenbank]], die im Wesentlichen experimentelle Daten für Reinstoffe und Gemische enthalten, und die [[DIPPR]]-Datenbank, die im Wesentlichen Parameter für Gleichungen für reine Stoffe enthält. Mit Hilfe von [[Mischungsregel (Thermodynamik)|Mischungsregeln]] lassen sich die Stoffdaten von Gemischen aus bekannten Reinstoffdaten näherungsweise berechnen. Für Stoffe, die nicht in den genannten Datenbanken enthalten sind, werden die Stoffdaten oft mit Inkrementmethoden wie z. B. Joback generiert.

== Rektifikation ==

Die Rektifikation, häufig auch Destillation genannt, ist eine der zentralen [[Grundoperation]]en in der Prozesssimulation aber auch in der chemischen [[Verfahrenstechnik]]. Das ältere FUG Modell (Fenske-Underwood-Gilliland), welches für ideale Gemische eine schnelle und gute Näherung darstellt, spielt kaum noch eine Rolle. Vielmehr hat sich das Simultaneous Correction System (s. Perry’s Chemical Engineering Handbook) durchgesetzt, welches nahezu alle Arten von Rektifikation gut modellieren kann wie z. B. Azeotrop-, Extraktions-, Reaktivdestillation, Trennblechkolonne, Gaswäsche, Absorption, Desorption, Elektrolyte, Seitenkolonne. Für petrochemische Destillationen ist auch durchaus noch das Modell Inside-Out in Gebrauch, da es schnell konvergiert und wenn das Gemisch aus Alkanen besteht.

Auch die Batchdestillation lässt sich simulieren. Dabei werden meist die Algorithmen der kontinuierlichen [[Rektifikationskolonne|Destillation]] verwendet. Mit der Batchdestillation kann ein Mehrstoffgemisch in zeitlicher Reihenfolge in einzelne Fraktionen aufgeteilt werden. Die mathematische Beschreibung der Batchdestillation erfolgt mit Hilfe der [[Rayleigh-Verteilung]].

== Reaktoren ==

Die bekanntesten Modelltypen sind der stöchiometrische, der Gleichgewichts- und der kinetische [[Chemischer Reaktor|Reaktor]]. Der Gleichgewichtsreaktor lässt sich einerseits nach der Gibbs’schen Theorie als auch nach van’t Hoff modellieren. Für den kinetischen Reaktor verwendet man meist das Modell von Arrhenius. In Kombination mit VBA lassen sich kinetische Ansätze beliebig darstellen, z. B. für Bioreaktionen. Im Batchreaktor, auch diskontinuierlicher Rührreaktor genannt, werden Reaktionen zeitabhängig durch Lösen von Differenzialgleichungen simuliert.

== Schnittstellen ==

Zur optimalen Bedienung der Prozesssimulation dienen [[Schnittstelle]]n wie z. B. [[Microsoft Excel|Excel]]<ref>Shichang Wang, Wolfgang Schmidt: ''Berechnungen in der Chemie und Verfahrenstechnik mit Excel und VBA.'' Wiley-VCH, Weinheim 2015, ISBN 978-3-527-33716-3.</ref> zur Datenübertragung in eine Projektdatenbank oder eine Anlage. Mit Hilfe der MS-COM-Technik kann die Prozesssimulation sogar von Excel aus gesteuert, d. h. gestartet werden. Dadurch ist sogar eine Online-Simulation möglich, bei der Daten aus laufenden Anlagen der Prozesssimulation kontinuierlich zugeführt werden. Die Ergebnisse dienen der optimalen Prozessführung.

== Prozesssimulationssoftware ==
Kommerzielle Prozesssimulationsprogramme gibt es in großer Anzahl. Größere Firmen haben oft auch Eigenentwicklungen in Benutzung, die ausschließlich firmenintern verwendet werden.

Während viele Systeme in der Regel vorzugsweise zur Simulation reiner Fluidprozesse eingesetzt werden können, können einige Simulationsprogramme auch speziell zur Simulation von Feststoffprozessen angewendet werden.

Eines der bekanntesten Simulationssoftwarepakete in der Prozessindustrie ist „Aspen Plus“ mit dessen dazugehörigen Ergänzungssoftwaremodulen. Speziell auf Fließschemasimulation von Feststoffprozessen spezialisiert ist die Software „Dyssol“<ref>{{Internetquelle |url=https://www.dyssoltec.com/ |titel=DyssolTEC - Flowsheet Simulation of Solids Processes |abruf=2022-11-30}}</ref>.

Eine quelloffene Simulations Software ist DWSIM.<ref>{{Internetquelle |url=https://dwsim.org/ |titel=DWSIM – Open-Source Chemical Process Simulator |sprache=en-US |abruf=2025-01-30}}</ref>

== Literatur ==
* Jürgen Gmehling et al.: ''Chemical thermodynamics for process simulation.'' Second, completely revised and enlarged edition, Wiley-VCH, Weinheim 2019, ISBN 978-3-527-34325-6.
* Iván Darío Gil Chaves et al.: ''Process analysis and simulation in chemical engineering.'' Springer International Publishing, Cham/Switzerland 2016, ISBN 978-3-319-14811-3.
* Alexandre C. Dimian, Costin Sorin Bildea: ''Chemical process design: computer aided case studies.'' Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-31403-4.
* John Ingham: ''Chemical engineering dynamics: modelling with PC simulation.'' VCH, Weinheim 1994, ISBN 3-527-28577-6.
* William L. Luyben: ''Process modeling, simulation, and control for chemical engineers.'' 2. ed., internat. ed., McGraw Hill, New York 1990, ISBN 0-07-100793-8.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Technische Chemie]]
[[Kategorie:Verfahrenstechnik]]
[[Kategorie:Computersimulation]]

Prozesssimulation - Versionsgeschichte

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