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Populationsbilanz-basierte und morphologische Modellierung von Kristallisationsprozessen = Population balance based and morphological modeling of crystallization processes
2020 & 2021
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-08-27
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-02736
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/815623/files/815623.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Itaconsäure (frei) ; Kristallisation (frei) ; morphologische Simulation (frei) ; Oxalsäure (frei) ; Populationsbilanz (frei) ; crystallization (frei) ; itaconic acid (frei) ; morphological simulation (frei) ; n-Monte-Carlo (frei) ; n-Monto-Carlo (frei) ; oxalic acid (frei) ; population balance (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die Einbindung von Simulationswerkzeugen in den Entwicklungsprozess von Kristallisationsprozessen stellt ein großes Potential zur Reduktion von Kosten und Zeit dar. Aktuell ist der Einsatz von detaillierten Simulationswerkzeugengering, Ursachen sind die geringe Übertragbarkeit und Prädiktivität. Ziel dieser Arbeit ist, durch die Erweiterung der sequentiellen Parameterbestimmung und die Integration der Kristallmorphologie, die Übertragbarkeit und Prädiktivität zu verbessern. An Hand der Beispielstoffsysteme Itaconsäure und Oxalsäure aus dem Umfeld der weißen Biotechnologie wird der Mehrwert der Integration der Kristallmorphologie auf die Übertragbarkeit gezeigt. Im ersten Teil werden die Simulationsparameter der gewählten zeitgesteuerten n-Monte-Carlo Simulation für die ausgewählten kinetischen Modelle bestimmt. Durch eine Erweiterung des Simulationsansatzes werden die Simulationsparameter, die Anzahl repräsentativer Kristalle und die Zeitschrittweite bzw. die Anzahl der notwendigen Simulationsschritte reduziert. Auf Basis der bestimmten Simulationsparameter werden für Itaconsäure und Oxalsäure die kinetischen Modellparameter von Bruch, Wachstum, Agglomeration und Nukleation bestimmt. Zur Bestimmung der kinetischen Parameter werden gezielt Experimente nach einem in dieser Arbeit erweiterten sequentiellen Schemadurchgeführt. Es zeigt sich, dass die Kristallisation von Itaconsäure mittels eindimensionaler Modellierung der Kristallphase gut beschrieben wird. Hingegen weist die Simulation von Oxalsäure starke Unterschiede zwischen Experiment und Simulation mittels eindimensionalem Ansatz auf. Ursache ist die deutlich stärkere Abweichung zwischen stationärer Krstistallform und der eindimensionalen Form. Dies motiviert die Integration der Morphologie, um eine höhere Übertragbarkeit und Anwendbarkeit des Modells, für von der eindimensionalen Form abweichende stationäre Kristallformen, zu erzielen. Für die Integration der Morphologie wird die Implementierung und die notwendige Genauigkeit der Berechnung der Kristallmorphologie untersucht. Der Einfluss der Morphologie auf die implementierten kinetischen Raten wird gezeigt und für die Bruchkinetik die Einbindung der Morphologie realisiert. Die morphologische Modellierung wird dann zur Simulation von Itaconsäure und Oxalsäure eingesetzt. Für Oxalsäure erfolgt die Anpassung des kinetischen Bruchparameters. Abschließend wird für Oxalsäure die verbesserte Abbildung der morphologische Simulation im Vergleich zur eindimensionalen Simulation an Hand eines Experiments gezeigt.The integration of simulation tools in the development of crystallization processes represents a great potential for reducing costs and time. Currently the use of detailed simulation tools is low, reasons are low transferability and predictiveness of commercially available tools. The goal of this work is to improve transferability and predictivity by extension of the sequential determination of parameters and the integration of crystal morphology. Based on the two example systems itaconic acid and oxalic acid the added value by integration of crystal morphology to the transferability is shown. In the first part, the simulations parameters of the chosen time-driven n-Monte Carlo approach are determined for the selected kinetic models from literature. An extension of the approach is introduced which improves the simulation parameters, the number of representative crystals and the time step size. Thereby the overall simulation time is reduced. On the basis of the specified simulation parameters, the kinetic model parameters of breakage, growth, agglomeration and nucleation are determined for itaconic acid and oxalic acid. For the determination of the kinetic parameters, experiments were carried out according to the extended sequential scheme. It shows that the crystallization of itaconic acid using the one-dimensional model of the crystalphase is well described. However, the one-dimensional simulation of oxalic acid discloses strong differences between experiment and simulation. The reason for this is the significantly more pronounced deviation of the stationary crystal shape from the one-dimensional shape. This motivates the integration of the morphology to gain higher transferability and applicability. For the integration of the morphology the implementation and the necessary accuracy in the calculation of crystal morphology is studied. The impact of the morphology on the implemented kinetic rates is shown and the integration of the morphology is realized. The morphological model is then used to simulate itaconic acid and oxalic acid. For oxalic acid the kinetic breakage parameter is adjusted. Finally, the improved results by morphological simulation of oxalic acid is shown in comparison to one-dimensional simulation and experimental data.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT020883840
Interne Identnummern
RWTH-2021-02736
Datensatz-ID: 815623
Beteiligte Länder
Germany
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