Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8249
Main Title: Efficient implementation of advanced molecularly-based equation of state models out of the documentation level
Translated Title: Effiziente Implementierung moderner Zustandsgleichungen auf Basis molekularer Modelle aus der Dokumentationsebene
Author(s): Merchan Restrepo, Victor Alejandro
Advisor(s): Repke, Jens-Uwe
Referee(s): Repke, Jens-Uwe
Wozny, Günter
Manenti, Flavio
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Considering the increasing number of modern thermodynamic models for engineering applications and their continuously growing algebraic complexity, in the chemical process industry and research there is a high demand for methods and mechanisms that enhance the dissemination and reuse of these models in an efficient way. Experience shows that the common practice of providing model equations as annexes of publications does not lead to a successful spread of the models. Coding complex algebraic expressions can be highly challenging and prone to error, in particular when considering inconsistencies that frequently appear between model documentation provided by the authors and their actual software implementations. In light of the above, the use of documentation based models, as supported by the modeling environment MOSAICmodeling, appears to be a promising approach. This type of models guarantees the consistency between model documentation and implementation and builds the basis of model implementations in arbitrary programming or modeling languages. This work focuses on the development and evaluation of methodologies conceived to ease the implementation of modern molecularly based equation of state models while enhancing their dissemination. The core of the concept is the use of computational methods for structural analysis and derivative evaluation, in particular algorithmic differentiation. These are applied on an equation-oriented model implementation of the free Helmholtz energy, originally developed on the documentation level. The resulting model implementations can be used on different modeling environments, including those supporting sequential evaluations and explicit functions, and those supporting fully equation-oriented systems. In general, it was shown that the developed methods not only considerably facilitate the implementation of modern thermodynamic models; in fact, the resulting implementations proved to be highly efficient in terms of computational performance. Furthermore, within this thesis a comparative evaluation of thermodynamic models was performed in order to quantify the influence of the model selection on the quality of the process simulation of a homogeneous catalytic process. By extending the search space for the heterosegmented PCP-SAFT equation of state model, a new set of parameters was estimated which leads to a significant improvement in the description of the phase behaviour of systems containing long chain aldehydes. With a properly parameterized EoS/gE model a successful description of phase equilibrium of comparable quality could be reached as well, however, as expected, with relatively large deviations in the density calculations.
Im Angesicht der zunehmenden Anzahl moderner thermodynamischer Modelle für ingenieurtechnische Anwendungen und deren immer größer werdenden algebraischen Komplexität besteht in der Prozessindustrie und in der Forschung ein großer Bedarf an Methoden, die die Verbreitung und Wiederverwendung der neuen Modelle effizienter gestalten, und somit die Vorteile dieser Modelle schneller zugänglich machen können. Die bisher gängige Praxis, Modellgleichungen als Anhang von Publikationen mitzuliefern, ist ohne Zweifel verbesserungswürdig, nicht zuletzt wegen häufig auftretender Inkonsistenzen zwischen der von den Autoren zur Verfügung gestellten Modelldokumentation und der von ihnen tatsächlich benutzten softwaretechnischen Implementierung. Vor diesem Hintergrund stellt die Nutzung von dokumentationsbasierten Modellen, wie sie von der Modellierungsumgebung MOSAICmodeling unterstützt werden, einen wertvollen Ansatz dar, da diese nicht nur Konsistenz zwischen Dokumentation und Modellimplementierung garantieren, sondern auch die Möglichkeit bieten, mittels Code-Generierung Modellimplementierungen in beliebigen Programmier- und Modelliersprachen zu erzeugen. Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden entwickelt und evaluiert, die das Ziel haben, den Implementierungsaufwand moderner thermodynamischer Modelle zu reduzieren und gleichzeitig die Verbreitung dieser Modelle zu fördern. Der Kern der Konzepte basiert auf der Anwendung rechnergestützter Methoden für strukturelle Analyse und Ableitungsberechnung, insbesondere algorithmische Differentiation, auf gleichungsbasierte, dokumentationsnahe Modelle der freien Helmholtz Energie. Die resultierenden Implementierungen sind nicht nur für Sprachen und Modellierungsumgebungen gültig, welche sequentielle Auswertungen zulassen. Geeignete Implementierungen werden auch für Tools generiert, welche vollständig gleichungsbasiert arbeiten. Es konnte insgesamt gezeigt werden, wie die entwickelten Methoden nicht nur die Implementierung moderner thermodynamischer Modelle erheblich erleichtern, sondern auch zu hocheffizienten rechnergestützten Modellimplementierungen führen können. Darüber hinaus wurde im Rahmen einer vergleichenden Analyse der Einfluss der thermodynamischen Modelle auf die Qualität der Prozesssimulation am Beispiel eines homogenkatalytischen Prozesses bewertet. Hinsichtlich der Beschreibung des Phasenverhaltens mit dem heterosegmentierten PCP-SAFT-Modell konnte, unter Erweiterung des Suchraumes, ein neuer Parametersatz gefunden werden, welcher eine deutlich verbesserte Beschreibung aldehydhaltiger Systeme ermöglicht und sich somit für den Einsatz in rigoroser Prozesssimulation eignet. Eine vergleichbar gute Beschreibung der Phasengleichgewichte konnte mit einem entsprechend parametrierten EoS/gE-Modell mit niedrigerem Rechenaufwand erreicht werden. Hinsichtlich der Dichteberechnung ist jedoch mit dem EoS/gE-Modell erwartungsgemäß eine größere Abweichung in Kauf zu nehmen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9163
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8249
Exam Date: 14-Dec-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 10-Apr-2019
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): Prozessmodellierung
Dokumentation
algorithmisches Differenzieren
Zustandsgleichungen
Phasengleichgewicht
process modeling
documentation
algorithmic differentiation
equation of state models
phase equilibrium
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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