Vorlesung 10: DoE & LCA Flashcards
Welche Spacer sind die am häufigsten verwendete Spacerform?
Netzspacer
Auf einen Prozess wirken verschiedene Einflussgrößen, deren Einfluss auf die Zielgröße mittels DoE untersucht werden soll. Insgesamt wurden vier Einflussgrößen ermittelt, die sich in je drei unterschiedliche Stufen unterteilen lassen. Wie viele Experimente müssten dafür bei einem vollfaktoriellen Versuchsplan durchgeführt werden?
3^4=81
Was sind Vor- und Nachteile der Wirkungsflächenversuchspläne (response surface design)?
Vorteil:
* Experimenteller Raum wird sehr gut abgedeckt
* Können Krümmungen in den Wirkungsbeziehungen gut erfassen und abbilden
* Ideal zum Erstellen prädiktiver Modelle
Nachteil:
* Aufwand bei Planung und Auswertung
* Noch mehr Experimente nötig als beim 2k-vollfaktoriellen Versuchsplan
Was ist ein LCA? Aus welchen Schritten besteht es?
Ein LCA ist eine “Ökobilanz”, mit der die Umwelteinwirkungen eines Produkts innerhalb seines Produktlebenszyklus systematisch erfasst werden können.
Ein LCA besteht aus den Schritten
1) Festlegung des Ziel- und Untersuchungsrahmens
2) Sachbilanz zur Erfassung aller relevanten Massen- und Energieströme
3) Wirkungsabschätzung zur Quantifizierung der Umweltwirkungen
4) Auswertung
Was sind die Vor- und Nachteile von teil- bzw. vollfaktoriellen Versuchsplänen?
Vollvektorielle Versuchspläne:
Vorteile:
- Durch den vollfaktoriellen Versuchsplan wird der experimentelle Raum gut abgedeckt
- Wechselwirkungen zwischen Faktoren können erfasst werden.
Nachteile:
- relativ viele Experimente benötigt.
- Werden zudem nur zwei Stufen je Faktor berücksichtigt
–> nicht-lineare Zusammenhänge nicht erfasst werden (außer mit Center Point).
Demgegenüber steht der deutlich geringere Aufwand bei teilfaktoriellen Versuchsplänen. Bei diesen können jedoch zum Teil nicht alle Wechselwirkungen erkannt werden.
Wozu werden Spacer in der Membrantechnik einegsetzt und welche Nachteile bringt das mit?
Spacer werden eingesetzt, um Konzentrationspolarisation zu mindern, Fouling besser kontrollieren zu können und die Durchmischung zu erhöhen.
Der Nachteil von Spacern ist der erhöhte Druckverlust sowie Totzonen, die eventuell entstehen können.
Was sind die 5 verschiedenen DoE-Methoden?
1) Versuch und Irrtum (trial and error): Veränderung von vielen Faktoren zur selben Zeit. Es wird solange ausprobiert, bis das Ergebnis zufriedenstellend ist.
2) Ein Faktor nach dem anderen (one-factor-at-a-time, OFAT): Veränderung von einem Faktor pro Experiment.
3) Vollfaktorielle Versuchspläne (full factorial designs): Durchführung eines Sets von Versuchen auf zuvor definierten Stufen, wobei alle Einstellkombinationen getestet werden.
4) Teilfaktorielle Versuchspläne (fractional factorial designs): Durchführung eines Sets von Versuchen auf zuvor definierten Stufen, wobei nicht alle Einstellkombinationen getestet werden.
5) Wirkungsflächenversuchspläne (response surface designs): Erweitertes Verfahren mit quadratischen Termen in den zugrundeliegenden Gleichungen, um nicht-lineare Wirkungsbeziehungen zu untersuchen.
Was ist DoE? Und welcher Nutzen lässt sich daraus ziehen?
DoE (Design of Experiments, auf deutsch statistische Versuchsplanung) bezeichnet Methoden zur Planung und statistischen Auswertung von Versuchen.
Ziel: Mit einem möglichst geringen Versuchsaufwand soll möglichst viel über die Zusammenhänge von Einflussparametern (Inputs) und Ergebnissen (Outputs) in Erfahrung gebracht werden.
Nutzen: Dadurch werden statistisch abgesicherte Informationen über diese Zusammenhänge generiert und die Effekte der Inputs sowie deren Wechselwirkungen untereinander quantifiziert.
Auf welche 4 Systemgrenzen können sich ein Life Cycle Assessment (LCA) beziehen?
1) Gate-to-gate: Berücksichtigung nur eines Wertschöpfungsprozesses zum Vergleich einzelner Prozessschritte
2) Cradle-to-gate: Betrachtung vom Rohstoffabbau bis zum Ausgangstor der Unternehmens; sinvoll bei gleichen Produkten mit unterschiedlichen Synthesewegen
3) Gate-to-grave: Berücksichtigung von Auswirkungen nach Erzeugung des Produkts; sinnvoll für verschiedene End-of-life-Szenarien
4) Cradle-to-grave: Betrachtung des gesamten Produktlebenszyklus (vollständiges LCA), um Produkte mit verschiedenen Eigenschaften zu vergleichen
Wie werden Center Points definiert? Erkläre das Konzept des Center Points bei vollfaktoriellen Versuchsplänen sowie dessen Anwendung.
Center Points sind definiert als mittlere Einstellung aller Faktoren. Oft werden Standardeinstellungen als Center Point gewählt und davon ausgehend die obere und untere Grenze für einen Faktor definiert. Versuchspläne mit nur zwei Stufen je Faktor sollten mit Center Points durchgeführt werden. Sie dienen dazu, nicht-lineare Zusammenhänge zumindest teilweise zu erfassen. Bei qualitativen Faktoren sind zwei Center Points notwendig, weil keine mittlere Stufe existiert.
Was sind Vor- sowie Nachteile der Methoden OFAT und trial and error?
Die Methode trail and error:
- ist sehr einfach und schnell anwendbar
–> keine Planung erforderlich - handelt sich nicht um systematischen Ansatz
–> Optima höchstens durch Zufall getroffen. - Zudem werden Wechselwirkungen nicht untersucht.
–> sehr ineffiziente Methode.
Die Methode OFAT:
- ist ebenso einfach anwendbar und leicht verständlich.
–> Optima können leicht übersehen werden, - Wechselwirkungen werden nicht untersucht
- der experimentelle Raum wird nur teilweise abgedeckt.
–> ineffiziente Methode.
Erkläre das Zusammenspiel von Simulation und Experimenten bei der Auslegung eines neuen Spacers.
Spacer in einem Membranmodul zu untersuchen ist ein invasiver Prozess. Daher erfolgt die hydrodynamische Auslegung im Vorfeld mittels CFD-Simulation, um eine erste Vorauswahl der Geometrie zu treffen und dadurch die Vermischungs- und Transporteigenschaften zu verbessern.
Die Tests der so erstellten neuen Spacer erfolgt anschließend im Modul. Hier wird DoE verwendet, um die Einflussfaktoren zu ermitteln und den optimalen Betriebspunkt zu finden.
Was bedeutet der Begriff Konzentrationspolarisation?
Durch die unterschiedliche Permeabilität der Membran für die sich im Feed befindenden Substanzen reichert sich der schlechter permeierende Stoff an der Grenzfläche zur Membran an. Dadurch entsteht ein Konzentrationsgradient, der einen diffusiven Rückfluss zur Folge hat. Infolgedessen wird der Transmembranfluss gemindert und auch die Selektivität der Membran kann negativ beeinflusst werden.
