Dr. Karin Jobst
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31.01.2014

Für die Qualifizierung der Strömungsmodelle für hochkonzentrierte, langfaserige, nicht-Newtonsche Fluide wurden von KSB strömungstechnische Messungen auf großtechnischen Biogasanlagen mit Berechnung der numerischen Strömungssimulation abgeglichen. Die Verwendung der in der CFD bisher genutzten Modelle zeigte zum Teil große Abweichungen zwischen Realität und Numerik. Als weiterer Schritt Richtung Modellanpassung wurden ausgewählte Parameterkonfigurationen der prozesstomographischen Experimente mittels CFD nachgerechnet und die Ergebnisse miteinander verglichen. Besonders bei artikelfreien nicht-Newtonschen Stoffsystem zeigte sich eine sehr gute qualitative und quantitative Übereinstimmung der vertikalen Strömungsgeschwindigkeiten. Im nächsten Schritt erfolgte durch KSB die Einbeziehung von Partikeln in die Modelle. Mit Hilfe der CFD wurde versucht, die Bildung und Auflösung von Schwimmschichten abzubilden. Dazu wurde eine User-Defined-Function zur qualitativen Beschreibung von Partikeltransport und Absetzen der Partikel eingeführt. In diesem UDF-Modell werden neben der Sink- und Flotationsgeschwindigkeit der Partikel auch die Viskosität in Abhängigkeit der Scherrate und des Feststoffgehalts berücksichtigt. Grundlage für die Ableitung von Kennzahlen zur Auslegung und Betrieb von Rührsystemen in Biogasanlagen stellten die Vielzahl der in diesem Projekt durchgeführten Untersuchungen mittels Prozess-Tomographie sowie numerische Simulationsrechnungen dar. Als wesentliche Kennzahlen konnten dabei die Rheologie, der Rührwerksschub und Rührwerkstyp und die Mindestgeschwindigkeit zur Bestimmung der Grenze des gesuchten Mischvolumens identifiziert werden. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass der Schub eines Rührwerkes durch das Fließverhalten des zu mischenden Stoffsystems wesentlich beeinflusst wird. Steigende örtliche Viskositäten führen zu einer Schubabwertung, die rührorganspezifisch ist.

Im Rahmen von Grundlagenuntersuchungen sollen gesicherte Aussagen zur Auslegung und zum Betrieb von Rührsystemen für den Einsatz in der Biogastechnik abgeleitet werden. Auf der Basis einer neuen Messmethode, der Prozess-Tomographie sollen Mischprozesse von fasrigen, nicht-Newtonschen, opaken Stoffsystemen unter Praxisbedingungen quantifiziert werden. Neben einer Bewertung der Mischgüte und dem daraus resultierenden, real zum anaeroben Abbau genutzten Reaktorvolumen, sollen quantitative Angaben zum sich ausbildenden Strömungsprofil in Abhängigkeit des gewählten Rührsystems und der vorliegenden Stoffeigenschaften der zu mischenden Phasen getroffen werden. Ziel ist einerseits die Ableitung von funktionalen Zusammenhängen zwischen der Geschwindigkeitsverteilung im Reaktor in Abhängigkeit der vorliegenden Stoffeigenschaften und des gewählten Rührsystems. Andererseits ist der Einfluss des Strömungsverhaltens und der Mischgüte auf die Umsetzung von nachwachsenden Rohstoffen zu Biogas zu ermitteln. Im Ergebnis dessen sollen erforderliche Kennzahlen für das Rührsystem wie Rührwerksaustrittsgeschwindigkeit und Rührzeit abgeleitet werden. Aufbauend auf den mittels Prozess-Tomographie zu ermittelnden Zusammenhängen sind vorhandene Modelle zur numerischen Strömungssimulation durch die Einbeziehung realer Stoffeigenschaften so zu qualifizieren, dass Anlagenbauern und Planern von Biogasanlagen ein praxisrelevantes Werkzeug zur Auslegung und den Betrieb derartiger Anlagen vorliegt.