Modellierung eines kältetechnischen Prozesses zur Gefriertocknung mit dem Kältemittel R452A

Abstract

Modern pharmaceutical products such as drugs, bacterial cultures and vaccines, as well as groceries which would lose important properties of effectiveness or quality in thermal drying methods due to the high temperature, are often treated with freeze drying. Freeze drying is a gentle drying method for particularly sensitive products. However, freeze-drying plants are a challenge for refrigeration technology because they are operated at very low temperatures (<-40°C) and have to maintain constant cooling conditions over long drying times. This results in high investment and operating costs (energy consumption). When designing such systems, suppliers often still rely on experience. For this matter simulation models could serve as support for optimization and design. The starting point for this work is a prototype of a freeze-drying plant for pharmaceutical products. First, the fundamentals of the compression refrigeration circuit and freeze drying are explained. Furthermore, the current process design and control strategies of the plant are described in detail. With the help of a simulation software (IPSEpro), the process is mapped in its main features. The aim of this work is a process model, with which further process design and dimensioning should be possible. The substance data required for the simulation of the wide range of refrigerants and refrigerant mixtures are not always implemented in the software used. However, this data is necessary for the creation of a valid model to calculate the thermodynamic state and process variables. The substance data of the refrigerant (R452A), which is used in the invetigated plant, are not implemented in IPSEpro by default. The problem of the missing interface between simulation software and material data is solved in this thesis for the used program (IPSEpro) and the refrigerant data (R452A) via a separate DLL. The required data comes from an external source (NIST) and is stored in tables accessed by the DLL. The return values are formed by interpolation between the individual table entries. Seven substance data tables are required for the implementation of substance data. In order to verify the implementation of the substance data, the return values of the substance data functions from the DLL are compared to the substance data from NIST for the refrigerant under the corresponding conditions (pressure, temperature, enthalpy, density). The largest deviation of the substance data in the investigated areas is 1.2%. With the help of the implemented substance data, it is possible to create a basic model for the investigated freeze-drying process. The simulation model is currently still based on assumptions, as no concrete process parameters were available at the end of the work due to a lack of measurement data from the real process. However, it can be shown that an iterative solution can be found from the system of equations and that it is possible to access the substance data from the substance data

Moderne pharmazeutische Produkte wie Medikamente, Bakterienkulturen und Impfstoffe, sowie Lebensmittel, welche bei thermischen Trocknungsmethoden durch die hohe Temperatureinwirkung wichtige Eigenschaften der Wirksamkeit oder Qualität einbüßen würden, werden häufig mittels Gefriertrocknung behandelt. Die Gefriertrocknung stellt eine schonende Trocknungsmethode für besonders sensible Produkte dar. Die Anlagen zur Gefriertrocknung sind jedoch für die Kältetechnik eine besondere Herausforderung, da sie bei sehr tiefen Temperaturen (<-40°C) betrieben werden und über lange Trocknungszeiten hinweg konstante Kühlbedingungen schaffen müssen. Daraus ergeben sich hohe Investitions- und Betriebskosten (Energieaufwand). Bei der Auslegung solcher Anlagen stützen sich die Anbieter häufig noch auf Erfahrungswerte. Hier könnten Simulationsmodelle als Unterstützung für die Optimierung und Auslegung dienen. Als Ausgangspunkt dieser Arbeit dient ein Prototyp einer Gefriertrocknungsanlage für pharmazeutische Produkte. Es werden zunächst die Grundlagen des Kompressionskältekreislaufs, sowie der Gefriertrocknung erläutert. Des weiteren wird auf die gegenwärtige Prozessführung und Regelstrategien der Anlage im Detail eingegangen. Mit Hilfe einer Simulationssoftware (IPSEpro) wird der Prozess in seinen Grundzügen abgebildet. Ziel dieser Arbeit ist ein Prozessmodel, mit dem in weiterer Folge Prozessauslegung und -dimensionierung möglich sein soll. Die zur Simulation benötigten Stoffdaten der Vielzahl an Kältemitteln und Kältemittelgemischen sind nicht immer in der verwendeten Software implementiert. Diese Stoffdaten sind jedoch für die Erstellung eines validen Modells notwendig, um die thermodynamischen Zustands- und Prozessgrößen berechnen zu können. Die Stoffdaten des Kältemittels (R452A), das in der zu untersuchenden Anlage verwendet wird, sind standardmäßig nicht in IPSEpro implementiert. Die Problematik der fehlenden Schnittstelle zwischen Simulationssoftware und Stoffdaten wird in dieser Arbeit für das verwendete Programm (IPSEpro) und die Kältemitteldaten (R452A) über eine eigene DLL gelöst. Die benötigten Daten kommen aus externer Quelle (NIST) und werden in Tabellen abgelegt, auf die von der DLL zugegriffen wird. Durch Interpolation zwischen den einzelnen Tabelleneinträgen werden die Rückgabewerte gebildet. Für die Einbindung der Stoffdaten sind sieben Stoffdatentabellen nötig. Um die Implementierung der Stoffdaten zu verifizieren, werden die Rückgabewerte der Stoffdaten-Funktionen aus der DLL mit den Stoffdaten aus NIST für das Kältemittel bei den entsprechenden Bedingungen (Druck, Temperatur, Enthalpie, Dichte) verglichen. Die größte Abweichung der Stoffdaten in den untersuchten Bereichen liegt bei 1.2%. Mithilfe der implementierten Stoffdaten ist die Erstellung eines Basismodells für den zu untersuchenden Gefriertrocknungsprozess möglich. Das erstellte Simulationsmodell basiert derzeit noch auf Annahmen, da aufgrund mangelnder Messdaten aus dem realen Prozess noch keine konkreten Prozessparameter bei Abschluss der Arbeit zur Verfügung standen. Allerdings kann gezeigt werden, dass eine iterative Lösung aus dem Gleichungssystem gefunden werden kann und der Aufruf der Stoffdaten aus den Stoffdatentabellen für das Simulationsmodell möglich ist. Um ein aussagekräftiges Modell zu erhalten, das auch als Unterstützung zum besseren Verständnis des Prozesses und bei der Auslegung und Optimierung künftiger Anlagen dienen kann, soll in weiterer Folge eine Validierung und Verbesserung mittels realer Daten durchgeführt werden.