Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: Untersuchungen von Mischungssystemen in Biogasfermentern unter Einsatz der Prozess-Tomographie - Teilvorhaben 2: Erstellung und Qualifizierung von Strömungsmodellen zur Modellierung von Mischungsvorgängen in Biogasfermentern

Anschrift
KSB SE & Co. KGaA
67227 Frankenthal (Pfalz)
Johann-Klein-Str. 9
Kontakt
Dr.-Ing. Gerd Janson
Tel: +49 6233 86-1829
E-Mail: gerd.janson@ksb.com
FKZ
22016111
Anfang
01.11.2011
Ende
30.04.2013
Aufgabenbeschreibung
Im Rahmen des Projektes sollen gesicherte Aussagen zur Auslegung und Steuerung 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 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. Die Konstruktion und Fertigung eines an die Prozess-Tomographie angepassten Rührsystems stellt dabei die Basis für Untersuchungen bzgl. der Misch- und Strömungsprozesse in Gärresten dar. Diese Untersuchungen ermöglichen es, funktionale Zusammenhänge zwischen Rührsystem, Stoffeigenschaften und dem sich ausbildenden Strömungsprofil abzuleiten. Weiterhin ist der Einfluss auf die Umsetzung von NaWaRo zu Biogas zu ermitteln. Im Ergebnis dessen werden erforderliche Kennzahlen für die Steuerung des Rührsystems (Rührwerks-Geschwindigkeit, Rührzeit) abgeleitet. Aufbauend auf den mittels Prozess-Tomographie zu ermittelnden Zusammenhängen sind vorhandene Modelle zur numerischen Strömungssimulation durch die Einbeziehung realer Stoffparameter so zu qualifizieren, dass ein praxisrelevantes Werkzeug zur Auslegung und Steuerung von Rührsystemen in Biogasanlagen vorliegt.
Ergebnisdarstellung
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 partikelfreien 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.

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