Optimierungsbasierte Regelung verfahrenstechnischer Prozesse Teilantrag 3: Optimierungsbasierte Regelung des VARICOL-Prozesses

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Der VARICOL-Prozess gehört zur Klasse der Simulated-Moving-Bed (SMB)-Prozesse. SMB-Prozesse sind kontinuierliche chromatographische Trennprozesse, die basierend auf einem durch Schaltvorgänge realisierten Gegenstrom von Feststoff und Flüssigphase die unterschiedlichen Komponenten eines Gemisches aufgrund ihrer unterschiedlich starken Adsorption durch den Feststoff trennen. Die kontinuierliche Fahrweise des Prozesses, die hohe Produktivität und der niedrigere Lösungsmittelverbrauch haben zu wachsendem Einsatz in der Spezialitätenchemie, Lebensmittel- und Pharmaindustrie [JMMOO, Nic98] geführt. Der VARICOL-Prozess erweitert den klassischen SMB-Prozess durch eine asynchrone Schaltung der Zu- und Abflüsse. Er kann mit dem sog. PowerFeed-Prozess kombiniert werden, bei dem die Flussraten während des Zyklus variiert werden. Diese zusätzlichen Freiheitsgrade ermöglichen eine weitere Erhöhung der Wirtschaftlichkeit. Der hinsichtlich Lösungsmittelverbrauch oder Durchsatz optimale Betrieb von SMB-Prozessen liegt an der Grenze, an der die Reinheitsanforderungen an die Produkte gerade eingehalten werden. Für die Optimierung ist daher ein genaues Prozessmodell und für den wirtschaftlichen Betrieb eine Regelung, die bei Störungen und Modellfehlern für eine Einhaltung der Produktreinheiten und eine optimale Fahrweise sorgt, notwendig. Die hochdimensionale und hybride Natur des VARICOL-Prozesses stellt sowohl regelungstechnisch als auch numerisch eine Herausforderung dar. Die bisherigen Arbeiten haben zu einem neuen, auf einem endlichen Horizont direkt optimierenden Regelungskonzept und neuen Varianten von Zustandsschätzern geführt und die Entwicklung effizienterer Algorithmen insbesondere durch die Projektpartner der Universität Heidelberg angeregt. In der beantragten zweiten Förderperiode sollen die begonnenen Arbeiten fortgeführt werden. Der Schwerpunkt der zweiten Periode liegt auf der Handhabung der unvermeidlichen Ungenauigkeit von Modellen und Messwerten. Es soll eine optimierungsbasierte Strategie zur Zustandsschätzung auf bewegtem Horizont angewandt werden, um der begrenzten Messinformation bei einer hohen Zahl von Zustandsgrößen Rechnung zu tragen. Das Regelungskonzept soll um die Einbeziehung des optimalen periodisch stationären Arbeitspunkts als Endpunktbedingung erweitert werden. Dieser soll als Endwertbedingung in dem jeweils online gelösten Optimierungsproblem auf einem endlichen Horizont vorgegeben werden. Hierdurch kann die Stabilität der Regelung gesichert und möglicherweise auch der numerische Aufwand reduziert und dadurch die Zahl der Freiheitsgrade erhöht werden. Außerdem soll eine Fahrweise, die besonders gut zur Parameterschätzung geeignet ist und den wirtschaftlichen Betrieb der Anlage nicht zu sehr stört, online ermittelt werden. Abschließend sollen die Konzepte zur Zustandsschätzung und zur prädiktiven Regelung an einer Technikumsanlage experimentell validiert werden.