Prozessberechnungen

Prozessberechnungen sind Teilbereiche der Ingenieurwissenschaften, die sich mit der quantitativen Beschreibung von Prozessen befassen. Typische Anwendungsfelder liegen in der Verfahrenstechnik, der chemischen Industrie, der Umwelttechnik, der Energiesystemanalyse und der Fertigungslogistik. Ziel ist es, Ströme von Stoffen und Energie, Reaktions- und Wärmeprozesse sowie weitere Prozessgrößen abzuschätzen, um Auslegung, Betrieb und Optimierung zu unterstützen.

Kerninhalte sind Massen- und Energiebilanz, Stoffbilanzen, Reaktionskinetik, Wärmeübertragung, Stoff- und Wärmetransfer, sowie die Modellierung zeitlicher Veränderungen durch Differential- oder algebraische Gleichungen. Verfahren reichen von analytischen Lösungen einfacher Modelle bis zu numerischen Simulationen komplexer Systeme. Modelle können steady-state oder dynamisch sein und sowohl deterministische als auch stochastische Elemente enthalten.

Typischer Arbeitsablauf: Problemformulierung, Modellbildung und Abstraktion, Datenerhebung und Parameterbestimmung, Lösung der Gleichungen mit geeigneten numerischen Verfahren, Validierung gegen Messdaten, Anwendung der Ergebnisse zur Auslegung, Betrieb oder Optimierung des Prozesses.

Beispiele: Berechnung einer Massenbilanz in einem Reaktor, Bestimmung des Wärmeverbrauchs eines Wärmetauschers, Optimierung der Ausbringung einer Produktionslinie durch lineare Programmierung, Simulation der zeitlichen Konzentrationsentwicklung in einer Bioreaktor. Die Ergebnisse fließen in Design-Entscheidungen, Sicherheitsbewertung und wirtschaftliche Bewertung ein.

Typische Werkzeuge sind Tabellenkalkulationen, Skriptsprachen wie Python oder MATLAB, sowie spezialisierte Prozesssimulationspakete (z. B. Aspen Plus, HYSYS). Grundlagen bilden physikalische Gesetze, Stoff- und Energiemassenbilanzen sowie numerische Methoden zur Lösung von Gleichungssystemen.