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Phänomene stehen Modell

08.02.2007 | Autor / Redakteur: Redaktion PROCESS /

Bei der Entwicklung und Optimierung von neuen Produkten und Verfahren kann die computergestützte Simulation entscheidende Unterstützung bieten. Insbesondere ist es möglich, die Zahl der erforderlichen Prototypen und Versuchsreihen auf ein Minimum zu begrenzen. Das spart Kosten, vor allem aber wertvolle Entwicklungszeit.

Bei der Entwicklung und Optimierung von neuen Produkten und Verfahren kann die computergestützte Simulation entscheidende Unterstützung bieten. Insbesondere ist es möglich, die Zahl der erforderlichen Prototypen und Versuchsreihen auf ein Minimum zu begrenzen. Das spart Kosten, vor allem aber wertvolle Entwicklungszeit.Was ist Simulation? So tun, als ob, sagt der Volksmund. Die VDI 3633 beschreibt das vornehmer: „Simulation ist die Nachbildung eines dynamischen Prozesses in einem Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind.“

Klar ist: Die Qualität einer solchen Simulation steht und fällt mit der Qualität des zugrunde liegenden Modells - wie realitätsnah also die relevanten physikalischen, chemischen und technischen Vorgänge numerisch beschrieben sind. Und klar ist auch: Das Ganze sollte möglichst schnell gehen und möglichst einfach in der Handhabung sein. Beide Ansprüche zu erfüllen, das verspricht die von Femlab angebotene Simulations-Software Comsol.

Dr. Carl Meinhart von der Universität Santa Barbara in Kalifornien bringt es so auf den Punkt: „Es dauert normalerweise Jahre, einen Code für die Untersuchung des Flusses durch einen Mikrokanal-Biosensor zu implementieren. Mit Comsol Multiphysics können Sie dies in einer Woche tun.“ Was steckt dahinter?

Comsol Multiphysics ist ein industrielles Softwarepaket für wissenschaftliche Simulationen von beliebigen physikalischen Systemen. Die besondere Stärke des Programms liege in der Fähigkeit, gekoppelte und wechselwirkende physikalische Phänomene zu modellieren, so der Anbieter Femlab. Dazu setze es beliebige gekoppelte partielle Differentialgleichungen in eine für numerische Analysen geeignete Form um und löse sie auf der Basis der Finite-Elemente-Methode.

Im Modell-Navigator wählt der User per Mausklick unter zahlreichen physikalischen Phänomenen. Oder er wählt eine der fertigen Anwendungen mit bereits vordefinierten Multiphysik-Kopplungen aus. Zusatzmodule liefern Terminologie, Materialbibliotheken sowie Visualisierungswerkzeuge. Neben den anwendungsspezifischen Lösungen umfasst jedes Zusatzmodul eine Modellbibliothek mit einer großen Anzahl von fertig anwendbaren Beispielmodellen.

Das Chemical Engineering-Modul ist ein Werkzeug für die prozessbezogene Modellierung. Es wurde entwickelt, um Transportphänomene, wie Strömungsmechanik (CFD) oder Massen- und Energietransport, mit chemischer Reaktionskinetik zu koppeln. Zudem ist das Modul für die Modellierung von Reaktoren, Filter- und Trenneinheiten, Wärmetauschern und anderen Apparaturen optimiert. Über weitere Schnittstellen können elektrochemische Systeme simuliert werden (zum Beispiel Brennstoffzellen).

Anwenderspezifische Module

Mit der neuen Software Reaction Engineering Lab können chemische Prozesse mit einer Vielzahl von Reaktanden und unterschiedlichen Konzentrationsverteilungen simuliert werden. Die Formulierung derartiger Prozesse ist normalerweise ein sehr mühsamer und zeitaufwändiger Prozess:

  • Chemische Verfahrenstechnik: Die Beseitigung von Chlor aus Abgasen, beispielsweise bei der Herstellung von Kunststoffen, geschieht durch einen Abgaswäscher. Dazu müssen bis zu zehn verschiedene chemische Reaktionen formuliert werden. Dies kann im Reaction Engineering Lab erfolgen; mit dem Chemical Engineering-Modul lässt sich das gesamte System berechnen.
  • Pharmazie: Zur Untersuchung von katalytischen Zyklen für die Herstellung von synthetischen Wirkstoffen können theoretische und gemessene Daten miteinander verglichen und angepasst werden, indem z.B. Reaktionsraten modifiziert oder direkt in analytischer oder tabellarischer Form eingegeben werden.
  • Biotechnologie: Mit dem Programm können Modelle für die Wirkstofffreisetzung aus einer Biomatrix in das beschädigte Gewebe berechnet werden. Die ausführliche Beschreibung der Reaktions- und Transportprozesse ermöglicht die Berechnung von Freisetzungsraten als Funktion von Zeit und Ort ebenso wie den Abbau der Biomatrix durch Enzymreaktionen.

Die Software erstellt die dazugehörigen kinetischen Gleichungen und Bilanzen von Masse, Energie und Impuls. Darüber hinaus können thermodynamische und Transporteigenschaften von miteinander reagierenden Mischungen berechnet werden.

Will man ganze Produktionsabläufe simulieren, so kann man das Programm mit Comsol Multiphysics und dem Chemical Engineering-Modul koppeln. Erst dann ist es möglich, Reaktoren mit beliebiger Geometrie und räumliche Veränderungen von Strömungsfeld, Konzentration und Temperatur zu simulieren.

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