Rechnergestütze Problemlösung für die verfahrenstechnische Praxis

Einführung in die Verfahrenstechnik anhand grundlegender Experimente (Praktikum)

Fermenter zur Biogaserzeugung sind häufig mit dem Problem konfrontiert, dass Feststoffe nicht ausreichend suspendiert werden und sich Sedimentationsschichten ausbilden, die stark nachteilig für die Effektivität dieser Fermenter sind. Zur Vermeidung dieser Problematik wird Rührtechnik eingesetzt; allerdings erschweren nicht-Newtonsche Fließeigenschaften der Substrate sowohl den Einsatz als auch die Auslegung dieser Rührsysteme, sodass Rührbetriebe häufig entweder unzureichend oder überdimensioniert sind.

Das Teilprojekt Suspensionsmodellierung im FNR-Projekt Sens-O-Mix erforscht daher das Wechselspiel zwischen nicht-Newtonscher Rheologie, Rührtechnik und Suspension. Ziel ist die Ableitung von optimierten Rührbetriebsparametern sowie die Erstellung von CFD-Modellen, die eine hinreichend genaue Abbildung der Suspensionsprozesse im Rührkessel auch unter Berücksichtigung nicht-Newtonscher Fließeigenschaften ermöglichen sollen.

Basis der Modellentwicklung bildet die experimentelle Untersuchung von Suspensionen im Rührkessel per laser-optischer Methoden. Hierfür werden transparente, nicht-Newtonsche Feststoffe sowie Flüssigkeiten, deren Brechungsindex (RI) an den der Feststoffe angepasst wird, verwendet (s. Abbildung 1).

Dies erlaubt es, Informationen über den Suspensionszustand und die Fluiddynamik im gesamten Rührkessel zu ermitteln. Hierzu wird ein Rührkessel optisch per Laser-Sheet geschnitten (s. Abbildung 1, links). Durch Zugabe von sehr kleinen, dichte-angepassten Tracerpartikeln, welcher der Strömung der Flüssigkeit folgen, kann die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt werden (s. Bild 1, mittig). Eine simultane Vermessung der Feststoffphase wird durch Zugabe eines fluoreszierenden Farbstoffs, welcher in der Flüssigkeit gelöst ist, ermöglicht: Dieser wird durch das Laserlicht angeregt, und das resultierende Fluoreszenzlicht höherer Wellenlänge kann mittels eines Lang-Pass-Filters selektiv aufgenommen werden. Da die Feststoffe nicht fluoreszieren, entstehen überall dort Schatten, wo sich Feststoffpartikel befinden (s. Abbildung 2, rechts).

Mit im Projekt entwickelter Software können anhand dieses Bildmaterials durch Particle-Image-Velocimetry (PIV) Geschwindigkeiten der Flüssigphase bestimmt werden. Durch die Particle-Tracking-Velocimetry (PTV) kann dies zeitgleich auch für die Feststoffphase erfolgen. So können bspw. Strömungs- und Suspendierzustände im Rührkessel in Abhängigkeit der Drehfrequenz eines Schrägblattrührers untersucht werden (s. Abbildung 3).

Aufbauend auf diesen experimentellen Untersuchungen werden Mehrphasen-Simulationen in OpenFOAM erstellt, welche insbesondere auch nicht-Newtonsche Rheologie berücksichtigen. Hier werden verschiedene Methoden (Euler-Euler, Euler-Lagrange, DEM) mit nicht-Newtonschen Modellen gekoppelt, um deren Validität und Effektivität zu überprüfen. Mittels validierter Modelle werden abschließend Rührbetriebsbedingungen untersucht, um einen effizienten Rührbetrieb in Biogas-Fermentern abzuleiten.