Modeling, Optimization and Control of Reactive Extrusion Processes

Diese Arbeit ist ein Beitrag zur Entwicklung, Betrieb und Optimierung von Reaktivextrusionsprozessen (REX) mit gleichlaufenden Doppelschneckenextrudern. Bis zum heutigen Zeitpunkt wurden nur eine kleine Anzahl an Prozessen als REX Prozess kommerzialisiert, da diese sich durch eine hohe Komplexität, enge Prozessfenster und eine langwierige und kostenintensive experimentelle Entwicklung auszeichnen. Um dies zu ändern, adressiert diese Arbeit die Herausforderungen an drei verschiedenen Punkten, der Prozesssynthese, dem Betrieb sowie der Produktionsplanung am Beispiel von rheologischen Additiven auf Polyurethan-Basis Durch die Kombination des neu entwickelten mechanistischen Extruder-Modells für die Reaktivextrusion mit einem memetischen Optimierungsalgorithmus können die optimalen Prozessparameter und Konfiguration unter Berücksichtigung der Anforderungen an Produktqualität bestimmt werden. Durch die Anwendung von Advanced Process Control Methoden kann der Prozess unabhängig von Modellfehlern am optimalen Betriebspunkt unter Einhaltung der Spezifikationen betrieben werden. Die schnellen Prozessdynamiken motivieren den Einsatz von Methoden basierend auf einem stationären Prozesszustand. Echtzeitoptimierung mit quadratischer Approximation der Gradienten wurde erfolgreich experimentell für den REX Prozess an einem Extruder im Technikum angewendet. Für den Extruder wurde die Methode ohne Prozessmodell, nur basierend auf Prozessdaten angewendet, was den Einsatz in der Industrie bei vergleichbaren Nutzen deutlich vereinfacht. Da der REX Prozess vollständig elektrifiziert ist, wird die Anwendung von Demand Side Management Strategien zur optimalen Nutzung der Verfügbarkeit und Preisschwankungen im elektrischen Netz z.B. durch erneuerbaren Energien untersucht.