Verfahrenstechnik

M.Sc.

Mona Al-Mqbas

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

m.al-mqbas@tu-berlin.de

+49 30 314 23725

Raum ACK 174a
Adresse Ackerstr. 76
13355 Berlin

Untersuchungen zur Turbulenz in Festbetten mittels Direkter Numerische Simulation (DNS)

Die effiziente Auslegung von unregelmäßig gepackten Festbettreaktoren erfordert ein tiefes Verständnis der Strömungsdynamik und des Wärmeübergangs im Bett. Dank der jüngsten Fortschritte bei den Berechnungsmethoden haben sich numerische Simulationen zu einer Alternative zu experimentellen Untersuchungen entwickelt, die in den letzten Jahrzehnten für die Auslegung von ungeordneten Betten verwendet wurde. Die Modellierung der Flüssigkeitsströmung innerhalb des Bettes ist jedoch eine Herausforderung, da verschiedene Mechanismen (chemische Reaktionen, Vermischung, Strahlung usw.) auf mehreren Skalen gleichzeitig ablaufen. Diese Mechanismen werden stark von den turbulenten Strukturen in den Poren zwischen den Partikeln beeinflusst. Die Kombination aus komplexer geometrischer Konfiguration und Strömungen mit hohen Reynoldszahlen führte jedoch zu einem mangelnden Verständnis der Grundlagen der Turbulenzdynamik und ihrer Modellierungsgenauigkeit im Festbett.

Die Strömung im Festbett weist ein breites Spektrum an zeitlichen und räumlichen Skalen auf, was den Rechenaufwand für die Modellierung drastisch erhöht. Das Strömungsfeld innerhalb des Bettes weist verschiedene Muster auf, darunter Wirbelbildung, Segmentierung und Wiederanlagerung der Strömung an der Oberfläche der Partikel und die Bildung von Strömungskanälen in der Nähe der Begrenzungswände. Diese Strukturen werden durch die Wechselwirkung zwischen der Strömung und dem Bett beeinflusst und wirken sich direkt auf die Temperaturverteilung aus, da die thermische Energie in einem gepackten Bett durch starke konvektive Strömungen über die gesamte Fläche transportiert wird, während sich das Fluid durch den Bereich bewegt. Obwohl sich die verfügbare Literatur auf die Genauigkeit der Turbulenzmodellierung und die Strömungsdynamik in kugelförmigen Festbetten konzentriert, sind in industriellen Anwendungen Schüttungen mit nicht kugelförmigen Partikeln vorherrschend. Darüber hinaus ist der Zusammenhang zwischen dem Einfluss nichtkugelförmiger Partikel auf die Turbulenz und den Wärmeübergang noch unbekannt.

Ziel dieses Projekts ist es, die aus DNS-Simulationen gewonnenen Daten zu nutzen, um die Genauigkeit der RANS-Modellierung durch Schätzung der Modellkonstanten für die Strömungen innerhalb des gepackten Bettes zu verbessern. Darüber hinaus wird der Proper Orthogonal Decomposition (POD)-Algorithmus auf die vom verbesserten RANS-Modell vorhergesagten Strömungsgrößen angewandt, um die Beziehung zwischen den globalen geometrischen Eigenschaften der Partikel und den dominierenden Strömungsstrukturen zu untersuchen und zu quantifizieren. Dadurch wird ein Einblick in die Kopplung zwischen Thermohydrodynamik und der geometrischen Konfiguration des Festbetts ermöglicht.
 

Hocheffiziente Biogas-SCR-Systeme (BiNOred) - Entwicklung eines CFD-basierten Auslegungstools für die SCR-Abgasnachbehandlung in Biogas-BHKW

Im Rahmen des FNR-Projektes BiNOred geht es um eine Entwicklung für die Realisierung von sehr sauber arbeitenden SCR-Systemen (Selektive katalytische Reduktion), damit die ab 2023 nach der 44. BImSchV (Bundes-Immissions-Schutz-Verordnung) sehr strengen Emissionsregeln eingehalten werden können. Diese SCR-Systeme sind notwendig, um in Zukunft saubere und CO2-neutrale Biomasse in Blockheizkraftwerken (BHKW) nutzen zu können. Dazu soll ein "Digitales Abbild" für die Eindüsung von Harnstofflösung in heißes Abgas entwickelt werden. Dabei liegt der Fokus auf der Parametrisierung der Einflüsse des komplexen Zusammenhangs aus geometrischen und physikalischen Randbedingungen, welche sich in maßgeblicher Weise von jenen im Automobil- und Kraftwerksbereich unterscheiden. Speziell wird hier die Verteilung der Harnstofflösung und anschließend des freigesetzten Ammoniaks betrachtet. Damit soll bei konkreten Anwendungen bereits in der Projektierungsphase vorhergesagt werden können, unter welchen Voraussetzungen der effizienteste Einsatz von Harnstofflösung möglich ist. Mit Hilfe des "Digitalen Abbilds" wird es dann möglich, Harnstofflö-sung für den Betrieb eines SCR-Katalysators zur Stickoxid-Reinigung des Abgases als Res-source bedarfsoptimiert einzusetzen und gleichzeitig Ammoniakschlupf minimieren. Dies wird auch die daraus resultierenden Sekundäremissionen wie Stickoxide oder Blausäure verhindern. Eine unnötige Überdimensionierung des SCR-Katalysatorvolumens kann so vermieden werden. Als Konsequenz ergeben sich essenzielle wirtschaftliche Vorteile sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb des SCR-Systems. Nur so kann der hocheffizienten, CO2-neutralen Biomassenutzung eine reelle Chance eingeräumt werden, da sie einem immensen Kostendruck unterliegt. Die Ergebnisse finden direkt Verwertung im Biogas-BHKW-Markt, da durch das Inkrafttreten der 44. BImSchV ab 2023 strengere Emissionsregularien gelten, die nur mit einem optimal ausgelegten SCR-System einzuhalten sind.

Visualisierung des Geschwindigkeitsfeldes einer regellosen Schüttung zylindrischer Partikel für Rep=500.