Einsatz von Neuronalen Netzen und hybriden Modellen zur Beschreibung der Kinetik komplexer Reaktionssystemen am Beispiel der Flashpyrolyse von Biomasse (BIOCAT)

Hintergrund

Entwicklung und Optimierung industrieller chemischer Verfahren sind wichtige Aufgabengebiete der chemischen Verfahrenstechnik, die heute ohne Einsatz von leistungsfähigen Simulationsmodellen undenkbar sind. Klasssische Ansätze beruhen dabei in der Regel auf chemisch- / physikalisch begründeten Modellen, mit deren Hilfe die realen Prozeßschritte möglichst detailgetreu wiedergegeben werden. In Fällen, in denen Details einzelner Prozeßschritte, wie z.B. Reaktionsmechanismen nur sehr eingeschränkt bekannt sind, bieten sich datengetriebene Modellierungsmethoden, etwa unter Einsatz von Neuronalen Netzen als Alternative an. Ein solches Anwendungsbeispiel ist die katalytische Kurzzeit (Flash) - Pyrolyse von Biomasse zur Erzeugung flüssiger Produkte (Bio-Öl). Dieser Prozess wird im Rahmen eines von der Europäischen Union geförderten Forschungsvorhaben untersucht, wobei sowohl klassische wissensbasierte Modelle als auch Neuronale Netze und Kombinationen beider Arten von Ansätzen betrachtet werden.

Vorgehensweise

Zum Erreichen der Projektziele werden vier Teilaufgaben bearbeitet, die im folgenden näher vorgestellt werden.

 1.    Erstellung der Reaktormodelle

 Ausgehend von Daten und Beschreibungen der Projektpartner müssen vier verschiedene Reaktoren (Festbett-, 2 unterschiedliche Fließbettreaktoren und Rotating Cone Reactor) simuliert werden. Hierzu sollen zum einen traditionelle Reaktormodelle und zum anderen CFD-Modelle zur Beschreibung der Transportphänomene herangezogen werden.

2.    Isolation der kinetischen Informationen

Unter Einbeziehung vereinfachter Reaktormodelle werden experimentelle Daten ausgewertet, um den Einfluss der Transportphänomene zu eliminieren. Die Daten werden zur Parameteranpassung der kinetischen Modelle (siehe 3) verwendet.

3.    Erstellung kinetischer Modelle

Verschiedene kinetische Modelle zur Beschreibung der Pyrolyse und der heterogen katalysierten Umsetzung des Pyrolyseprodukts (Upgrading) sollen entwickelt werden. Hauptaugenmerk dabei gilt dem Vergleich zwischen
a) traditionellen Modellen (wissensbasiert)

c) hybriden Modellen (Integration von klassischen Modellteilen und  Neuronalen Netzen)

4.    Implementierung der Kinetik in Reaktormodelle

Zur Verifizierung der kinetischen Modelle ist ein Vergleich zwischen vorhergesagten und experimentellen Daten notwendig. Hierzu sollen die kinetischen Modelle in die unter 1 genannten Reaktormodelle implementiert werden und Vorhersagen für die verschiedenen Reaktoren gemacht werden.

Stand der Arbeit

Zur Zeit wird an der Erstellung von Reaktormodellen mit Hilfe eines CFD - Paketes (STAR-CD) gearbeitet, während die Projektpartner  experimentelle Daten sammeln. Weiterhin steht die Festlegung der Anforderungen an die Modellierung sowei der benötigten experimentellen Daten im Mittelpunkt.