Modeling and Control of the Falling Film Evaporator Process

Wegen ihres energieeffizienten Betriebs und flexiblen Designs haben Fallfilmverdampfer (FFV) eine breite Anwendung in der Industrie. Neben Fragen zur Konstruktion sind dominante Totzeiten herausfordernd bzgl. Prozessmodellierung und -regelung. Insbesondere erfordert die Automatisierung von Produktionssystemen digitale Zwillinge, d.h. Anlagenmodelle, um Betreiber zu schulen oder den Designprozess zu beschleunigen. Das Herz eines FFV besteht aus Rohren, an deren Innenseiten verdampfender Flüssigkeitsfilm hinabläuft. Daher sind die Rohre primäre Quelle für Totzeiten, welche sich vornehmlich auf den Transport wichtiger Prozessgrößen wie Liquidkonzentration und Massenstrom beziehen. Allerdings ist die Modellierung des entsprechenden dynamischen Verhaltens schwierig. Aus Sicht der Regelung erzeugen Totzeiten Schwingungen der Ausgangskonzentration - im Speziellen während der Anfahrprozesse. Zusätzlich verkomplizieren starke Kopplungen zwischen Ausgangsmassenstrom und -konzentration die in modernen Produktionen erforderliche Mehrgrößenregelung. Die vorliegende Arbeit präsentiert Lösungen für alle genannten Herausforderungen. Durch Gliederung des FFV-Prozesses in Teilsysteme sind verschiedene Designs in einfacher Weise simulierbar. In diesem Kontext erfolgt die Validierung eines bestimmtes Anlagenmodell auf Basis von Realdaten, was zum digitalen Zwilling führt. Zur Entwicklung neuer Transportmodelle verdampfender Flüssigkeitsfilme werden Bilanzgleichungen ausgewertet, sodass Systeme hyperbolischer partieller Differentialgleichungen entstehen. Mittels des Charakteristikenverfahrens gelingt eine Transformation in Totzeitgleichungen; letztere sind für Simulation und Reglerentwurf vorteilhaft. Pilotanlagenexperimente zur Identifikation und Validierung eines ausgewählten Modells unterstreichen die Eignung des Ansatzes, das gemessene Ein-/Ausgangsverhalten abzubilden. Zur Beantwortung regelungstechnischer Fragen wird ein einfaches Prozessmodell entwickelt, das Zuordnungsproblem gelöst und ein Mehrgrößenregelungskonzept entworfen