Die korrekte rührtechnische Bemessung von Reaktoren ermöglicht das Erreichen hoher Ausbeuten und Produktivitäten. Besonders bei Großreaktoren ist ein effizientes Rührsystem unabdingbar. Neben der Analyse von betriebenen Reaktoren und Modelluntersuchungen ist die numerische Strömungssimulation durch Abbildung des Betriebsmaßstabes ein wichtiges Auslegungswerkzeug.
Dipl.-Ing. U. Marte, Dr.-Ing. R. Krebs, Dipl.-Ing. P. Forschner
Rührtechnische Systeme können der entscheidende Teil einer Prozeßanlage sein. Aufgrund zunehmender Anforderungen an die Auslastung von Anlagen gewinnt die Frage nach der maximalen Kapazität immer mehr an Bedeutung. In den vergangenen Jahren ist die Rührwerksgröße ständig gestiegen. Rührwerke mit 1100 kW Antriebsleistung und Wellendurchmesser über 300 mm aus Sonderwerkstoffen wie Titan sind üblich (Abb. 1). Die einhergehende rasante Entwicklung von Hard- und Software ermöglicht eine Verwendung der numerischen Strömungssimulation als Auslegungswerkzeug.
Kapazitätserweiterung eines3-Phasen-Reaktors
Ein Großreaktor in einer Rauchgasentschwefelungsanlage eines 450-MW-Kraftwerkes ist ein Anwendungsbeispiel für den erfolgreichen Einsatz der Simulation von Strömungsvorgängen.
Zur Deckung der Spitzenlast in Zeiten hohen Strombedarfs müssen über 400 000 m3/h Rauchgas gereinigt werden. Ein entscheidender Faktor in der Begrenzung der Kapazität ist die Effizienz des Rührsystems. Mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation kann das Rührsystem des Reaktors direkt im Betriebsmaßstab abgebildet werden.
Die Massen- und Impulsbilanzen ließen sich iterativ mit Hilfe des Softwarepaketes CFX 4 über ca. 100 000 Zellen mit der finiten Volumenmethode lösen. Mit zusätzlichen Fortran-Unterprogrammen wurde das Rechenmodell an den Prozeß angepaßt. Die Berechnungen führte man auf einer Silicon-Graphics-Workstation mit einem MIPS R10000 Chip durch. Zur Visualisierung der berechneten Daten wurde das Tool Ensight verwendet. Die Simulationsmodelle wurden vorher im 2-m3-Pilotmaßstab validiert. In dem Absorber in Abbildung 2 mit einem Durchmesser von 18,5 m wird das Rauchgas über mehrere tausend Rohrlanzen in 1400 m3 Flüssigkeit eingeblasen. Im unteren Reaktorteil wird das Schwefeldioxid mit der zugeführten Luft und den in der Reaktionslösung enthaltenen Ca2+-Ionen zu Gips umgewandelt, der kontinuierlich als Slurry abgezogen wird. Das gereinigte Rauchgas verläßt den Absorber durch Abzugsrohre. Eine wichtige Anforderung an das Rührsystem ist, durch eine hohe globale Umwälzung sowie durch eine kurze Mischzeit die physikalischen und chemischen Vorgänge zu beschleunigen. Das Ziel ist, bei der gegebenen Schwefeldioxid-Menge im Rauchgas eine hohe Umwandlung zu Gips und damit eine ausreichende Reinheit für die Verwendung in der Baustoffindustrie zu erreichen. Die Analyse des Rührprozesses mit numerischer Strömungssimulation zeigt in Abbildung 3 die Verteilung der Geschwindigkeitsvektoren im Betriebsmaßstab. Mit dem Schrägblattrührer (unten) zeigen sich in der Bodenrandregion Zonen ungenügender Durchmischung. Die an die Geschwindigkeit gekoppelte Gipsumsetzung führt zu einer ungenügenden Gipsreinheit.
Zur Lösung des Problems wurde das Rührsystem Viscoprop entwickelt. Das Strömungsprofil zeigt eine verbesserte globale Durchmischung. Der Gips kann in der geforderten Reinheit erhalten werden, wodurch der optimale Betrieb auch bei Spitzenlast gewährleistet ist.
Steigerung der Produktivität in einem 500-m3-Begasungsreaktor
Bei Großreaktoren in Gas-Flüssig-Systemen ist eine hohe Produktivität sowie eine optimale Ausnutzung der Kapazität eine entscheidende Anforderung. Im folgenden Anwendungsfall soll ein 500-m3-Begasungsreaktor betrachtet werden. Zur Erzielung einer hohen Produktivität ist der Stoffübergang gas/flüssig von grundlegender Bedeutung. Das Rührsystem hat hierbei die Aufgabe, das über einen Begasungsring eingebrachte Gas zu dispergieren und somit eine hohe Phasengrenzfläche zu erzeugen. Ein entscheidender Faktor ist hierbei der lokal erzielbare, spezifische Leistungseintrag.
Um diese lokalen Informationen zu erhalten, kann die numerische Strömungssimulation als Hilfswerkzeug herangezogen werden. Auch in diesem Anwendungsfall wurden die Rührorgane explizit modelliert. Die Massen- Impuls- und Energiebilanzen wurden über ca. 60 000 Zellen gelöst. Das Ergebnis in Abbildung 4 liefert sehr hohe lokale Energiedissipationen in der radialen Ausströmzone des in der unteren Behälterhälfte wirkenden Phasejets. Daraus läßt sich eine hohe Primärdispergierung des zugeführten Gasvolumenstromes ermitteln. Die berechnete Energiedissipation der oberen radial/axial fördernden Rührorgane ist geringer und führt zu der gewünschten Sekundärdispergierung und Rezirkulierung des Gases. Mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation konnten die lokalen Energieverteilungen ermittelt, das Rührsystem analysiert und die Ergebnisse der Modelluntersuchungen bestätigt werden.
Die zwei Anwendungsbeispiele zeigen den erfolgreichen Einsatz der numerischen Strömungssimulation. Aufgrund der Komplexität der verwendeten Simulationsmodelle sowie der Strömungsprozesse in einem Rührreaktor sind einige Einschränkungen z. B. bei der Behandlung des Übergangsgebietes zu berücksichtigen. Durch die fortschreitende Entwicklung der numerischen Strömungssimulation, zusammen mit der Kenntnis der Rührprozeß-Technik, können zunehmend komplexere fluiddynamische Problemstellungen in Großreaktoren einer Lösung zugeführt werden.
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