Projektbeispiele

Die Einsatzmöglichkeiten von Simulationen im verfahrenstechnischen Anlagenbau

Die dargestellten Projektbeispiele gewähren einen Einblick in konkrete Anwendungen von CFD-Simulationen im verfahrenstechnischen Anlagenbau.

Regenerative Thermische Oxidationsanlagen

Regenerative thermische Oxidationsanlagen werden häufig in der thermischen Abgasreinigung eingesetzt, um den Anteil von Kohlenwasserstoffverbindungen aus Prozessgasen zu reduzieren. Da die zu behandelnden Volumenströme einen Bereich > 100.000 Nm³/h umfassen können, kommt der Optimierung dieser Anlagen hinsichtlich Energieverbrauch eine wichtige Bedeutung zu.

So kann eine Erhöhung der thermischen Effizienz u.a. durch eine verbesserte Strömungsführung im Anströmbereich der keramischen Wabenkörper (Abb.1) erzielt werden. Eine optimierte Gleichverteilung der Strömung erhöht nicht nur den thermischen Wirkungsgrad, sondern verbessert auch den chemischen Umsatz von Schadstoffen im Brennraum (Abb.2).

Der Aufwand für diese Strömungsoptimierung ist hier im Vergleich zu den erzielten Energieeinsparungen sehr gering und amortisiert sich nach wenigen Wochen. Somit können Anlagenbetreiber neben geringeren Betriebskosten auch einen wertvollen Beitrag zur Schonung der Umwelt leisten.

Weitere Optimierungsmaßnahmen für diese Anlagen erzielt man mit Hilfe einer:

  • verbesserten Positionierung von Eindüslanzen und Brennern im Brennraum
  • einer Anpassung des Designs von Mischerblechen, Strömungsumlenkungen etc.
  • Minimierung des Druckverlustes ausgewählter Komponenten (Klappen, Rohrleitungen)
Abb. 1: Wabenkörper in regenerativen thermischen Oxidationsanlagen
Abb. 2: Geschwindigkeitsfeld [m/s] in der Brennkammer einer RTO
Optimierung katalytischer Reaktoren

Die Effizienz von Katalysatoren hängt wesentlich von einer optimalen Anströmung der umzusetzenden Reaktionspartner als auch der Prozessbedingungen im Katalysator ab. Neben einer guten Vorvermischung sind auch die Temperaturprofile im Katalysator selbst wesentlich für eine maximale Anlagenperformance.

Im diesem Projekt wurden verschiedene Versionen von Mischerblechen in einer gegebenen Geometrie (Abb. 3) auf Basis von CFD-Simulationen gegenübergestellt und optimiert. Hierbei musste eine gute Balance zwischen Druckverlust und Mischgüte gefunden werden. Anschließende Messungen an der Anlage konnten die vorhergesagte Mischgüte bestätigen (Abb. 4).

 

 

Abb. 3: Geometrie im Anströmbereich des Katalysators
Abb. 4: Temperaturfeld durch die Achse des Reaktors
Biomassefeuerungen

Die CFD-gestützte Entwicklung von Biomassefeuerungen ist schon seit einigen Jahren eine gängige Methode, um kompaktere Brennkammern bei gleichzeitig niedrigeren Schadstoffemissionen zu erzielen. Darüber hinaus können aber auch komplexere Prozesse wie die Bildung von Feinstaub oder die Bildung von Depositionen modelliert und für die Gesamtoptimierung der Feuerungen und Kessel verwendet werden (siehe [1]). In diesem Entwicklungsprojekt wurden die Simulationsergebnisse mit Messungen an einer Kleinfeuerung verglichen um die Qualität der verwendeten Modelle besser beurteilen zu können.

[1] Schulze, K., Scharler, R., Obernberger, I: Development of an advanced CFD model for ash deposit and aerosol formation in biomass fired boilers: Proceedings of the 9th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers, (2011), CENERTEC(Ed.), Portugal

Abb. 5: Geometrie einer Kleinfeuerung sowie das Temperaturfeld in der Achse der Feuerung [1]
Stoffaustauschvorgänge in der Flüssig-Flüssig Extraktion

Mit Hilfe von CFD-Simulationen wurden Extraktionsprozesse an einem Einzeltropfen beschrieben und mit experimentellen Daten verglichen. Der Schwerpunkt richtete sich dabei auf einen bekannten Effekt, der Marangonikonvektion, welcher auf Grund von Grenzflächenspannungsänderungen eine überlagerte Konvektion der Phasengrenzfläche zwischen dem Tropfen und seiner Umgebung induziert. Experimentelle Untersuchungen in verschiedenen Stoffsystemen mit Hilfe einer speziellen Apparatur (Abb. 5) zeigten, dass auf Grund dieses Effektes die Relativgeschwindigkeit des Tropfens zu seiner Umgebung beeinflusst wird und ein verstärkter Stoffaustausch stattfindet. Mit Hilfe der Simulationen konnten beide Effekte beschrieben werden.

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Abb. 5: Stromlinien in einer Versuchsapparatur für eine Flüssig-Flüssig Extraktion