Numerische Simulation des Mischvorganges von vier vollständig mischbaren Phasen in zwei verschiedenen Biogasfermentern

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Steffen Ritter
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1 Numerische Simulation des Mischvorganges von vier vollständig mischbaren Phasen in zwei verschiedenen Biogasfermentern Stefan Pohn, Andras Horvath, Christian Kuttner, Christian Maier, Michael Harasek Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften Getreidemarkt 9/166, 16 Wien TU Wien, Austria 1 Einleitung In dieser Arbeit soll das Einmischverhalten von vier, am Beginn vollständig getrennten, üssigen Phasen in einem Biogasfermenter bestimmt werden. Das Einmischverhalten wird dabei mit numerischen Methoden, basierend auf einem Euler-Euler-Modell berechnet. Dieser Bericht basiert im wesentlichen aus der noch nicht veröentlichten Präsentation des Projektes AD-CFD, nanziert durch den FFG. Die Durchmischung in Biorekatoren ist ein sehr wichtiger Faktor für die Leistungsfähigkeit der Biogasproduktion. Der Biogasprozess läuft in vier Stufen ab. In jeder dieser Stufen werden Bakterien eingesetzt die jeweils andere ph-konzentrationen und Nährstoe benötigen. Daher ist in in diesen Fermentern eine gute Durchmischung entscheidend für eine hohe Ausbeute an Biogas. Für die Simulation wurden zwei bestehende Anlagen gewählt. Die erste Anlage wurde in Reidling von der Firma AAT errichtet. Die zweite Anlage bendet sich in Strem und wurde von der Firma Thöni gebaut. Diese beiden Firmen, sowie die Betreiber der beiden Biogasanlagen waren Projektpartner in AD-CFD. In Reidling wurde ein Propellerrührwerk und ein vertikales Paddelrührwerk installiert, in Strem zwei horizontale Paddelrührwerke. Diese Anlagen wurden in ein numerisches Modell übergeführt und die Einmischung der Phasen berechnet. Der gewählte Solver ist Fluent Zur Bestimmung der Mischgüte wurde die Standardabweichung der Phasenzusammensetzung in jeder Zelle des numerischen Gitters berechnet und ein Mittelwert bestimmt. Der zeitliche Verlauf dieses Mittelwerts wurde verfolgt. Sobald er ein Minimum erreicht, ist die beste, technisch erreichbare Mischgüte, im Fermenter erzielt. 2 Modell Die Phasen wurden am Start der Simulation in gleichen Anteilen in horizontalen Schichten in den Fermenter gepatched, jede Phase nimmt somit genau ein Viertel des Fermentervolumens ein. Die Phasen haben verschiedene Dichten. Auch das viskose Verhalten der Phasen unterscheidet sich. Die von der Scherrate γ abhängige Viskosität wird durch den Konsistenzfaktor K und den Exponenten n bestimmt (siehe Gleichung 1). Diese Eigenschaften wurden durch Messungen an den Fermenterinhalten bestimmt. η a = K γ 1 n (1) Das Resultat dieser Messungen in Reidling ndet sich in Tabelle 1 1

2 Phase Viskosität [P as] Dichte [ kg ] m 3 Partikelgröÿe [mm] 1 η a = η a = 382 γ η a = 814 γ 1 ( 1.51) η a = 119 γ 1 ( 6) Tabelle 1: Phasen in der Mehrphasensimulation Reidling Die rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit in Strem ndet sich in Tabelle 2. Phase rheologisches Verhalten [P as] Dichte [ kg ] m 3 Partikelgröÿe [mm] 1 η a = 21 γ η a = 172 γ 1 ( 6) η a = 128 γ 1 ( 5) η a = 13 γ 1 ( 1) Tabelle 2: Phasen in der Mehrphasensimulation Strem Die hier angebenen Partikelgröÿen beziehen sich auf Siebanalysen. Die Partikel sind nicht ideal kugelförmig, dennoch wurde die Maschenweite des Siebes als charakteristische Eigenschaft in das numerische Modell eingegeben, da keine detaillierteren Messungen über Partikellängen und Längenverteilungen durchgeführt wurden. Daher fehlen Daten um einen charakteristischen Durchmesser, wie zum Beispiel den Sauterdurchmesser, bestimmen zu können. Abbildung 1 zeigt die beiden Rührwerke die in der Biogasanlage Reidling verwendet werden. Das Paddelrührwerk läuft koninuierlich, das Propellerrührwerk wird nur periodisch eingeschaltet. Daher wurden für die BGA Reidling zwei Varianten gerechnet, mit Propeller und ohne Propeller. Abbildung 2 zeigt das Rührwerk das in der BGA Strem eingebaut ist. Um das gesamte Fermentervolumen ausreichend mischen zu können wurden zwei dieser Rührwerke eingebaut die beide kontinuierlich laufen. Die Drehzahl wurde in der Simulation, bei beiden Rührwerken auf die maximal im Betrieb mögliche Frequenz eingestellt. In Reidling 15 U/min am Paddel- und 475 U/min am Propellerrührwerk. In Strem laufen beide Paddelrührwerke mit 7 U/min. Durch den Durchmesser, die Drehzahl und die Gitterweite konnte die Zeitschrittweite für die instationäre Simulation festgelegt werden damit die Courrantzahl 1 wird. Die Varianz der Phasenzusammensetzung in jeder Zelle des Rechengitters wurde durch die Gleichung 2 bestimmt. Daraus wurde die mittlere Standardabweichung im gesamten Strömungsgebiet ermittelt. In dieser Gleichung ist k die Anzahl der Zellen in Modell, c 2 M der Mittelwert der Konzentration der Phase m = und c M,i ist die Konzentration der m-ten Phase in der i-ten Zelle. s 2 = 1 k 1 k (c M,i c M ) 2 (2) i=1 Diese Gleichung wurde mittels eine benutzerdenierten Funktion in Fluent eingebunden. Wenn die Zellenanzahl im Modell gegen unendlich gehen würde und alle 4 Phasen ideal mischbar sind, wird nach unendlicher Zeit die Varianz werden. 2

3 (a) Modell der Paddel, mit Rechengitter (b) Modell des Propellerrührwerkes, mit Rechengitter Abbildung 1: Rührwerke in Reidling, mit Rechengitter Abbildung 2: Rührwerk in Strem, mit Rechengitter 3

4 3 Ergebnisse und Diskussion Wie oben erklärt wurde als Kriterium zu Beurteilung der Mischüte eine Mittelung über die örtliche Standardabweichung herangezogen. Der optimale Mischzustand ist erreicht, wenn die mittlere Standardabweichung minimal wird. Ein Anstieg bedeutet, dass sich die Phasen entmischen..3.3 (a) Standardabweichung der Phasenzusammensetzung (b) Standardabweichung der Phasenzusammensetzung im Fermenter der BGA Reidling im Fermenter der BGA Reidling, mit Propeller Abbildung 3: Standardabweichung der Zusammensetzung im Fermenter der BGA Reidling In den Diagrammen 3(a) und 3(b) ist der zeitliche Verlauf der Mischgüte, in beiden Kongurationen in Reidling, zu erkennen. In Diagramm 4 ist die zeitliche Entwicklung in der BGA Strem abgebildet. Man kann deutlich erkennen das der Mischprozess in allen 3 Kongurationen sehr schnell verläuft. Wenn man das Fördervermögen der Paddelrührwerke auswertet, stellt man fest, dass in Reidling allein durch das Paddelrührwerk 14 kg/s und in Strem durch beide Paddel 8 kg/s bewegt werden. Daher werden die Phasen auch sehr schnell vermischt. Das Propellerrührwerk leistet, da es zumindest in kleinen Teilen des Fermenters eine turbulente Strömung erzeut, ebenso einen wesentlichen Beitrag zur Einmischung. Das Fördervermögen von 1 kg/s ist verglichen mit den Paddelrührwerken gering. Die unterschiedlich schnelle Entwicklung der Mischgüte ist gut zu sehen in 3(a) und 3(b). Bei der Konguration mit dem Propeller ist die vollständige Durchmischung schon nach 4 s erreicht. Ohne Propeller ist eine vollständige Mischung erst nach 6 s erreicht..3 Abbildung 4: Standardabweichung der Phasenzusammensetzung im Fermenter der BGA Strem In Strem wird der optimale Zustand auch nach 6 s nocht nicht erreicht. Das ist vor allem auf 4

5 das geringe Födervermögen der beiden Paddelrührwerke zurückzuführen. Hier sollte die Simulation noch weiter gerechnet werden um den Zustand der optimalen Vermischung zu erreichen..3 Strem Reidling Reidling Propeller.3 Strem Reidling Reidling Propeller (a) Standardabweichung (b) Standardabweichung.3 Strem Reidling Reidling Propeller.3 Strem Reidling Reidling Propeller (c) Standardabweichung (d) Standardabweichung Abbildung 5: Standardabweichung der Zusammensetzungen im Vergleich In den Diagrammen 5(a) bis 5(d) sind die Phasen in allen drei Fermenterkongurationen gegenübergestellt. Damit soll festgestellt werden ob die Lokalisation der Phasen am Beginn der Simulation einen Einuÿ auf die weitere Entwicklung der Mischgüte hat. Deutlich zu erkennen ist, wie auch schon in den vorhergegangenen Abbildungen zu sehen war, dass der Einmischvorgang durch ein Propellerrührwerk deutlich beschleunigt wird. Dieses Verhalten zieht sich durch alle Phasen, aber besonders ist dies zu beobachten bei 5(a) und 5(d). Dies kann durch den Standort des Propellers erklärt werden. Am Beginn der Simulation ist der Propeller nur von der umgeben, daher wird die gesamte Impuls auch auf diese Phase übertragen. Durch die Slip-Randbedingung an der oberen Begrenzung des Fermenters ist die geringeren Reibungskräften ausgesetzt. Dadurch werden diese beiden Phasen besser durchmischt als die Phasen 2 und 3 die sich am Beginn der Simulation in der Mitte des Fermenters be- nden. Bei diesen beiden Phasen zeigen sich auch weniger Unterschiede zwischen dem Einsatz eines Propellers und ohne Propeller. In den Resultaten von Strem ist, wie bereits erwähnt, klar zu sehen das die Simulationen noch fortgeführt werden sollten. Keine der Phasen hat hier ein Minimum in der Standaradabweichung erreicht. Um untersuchen zu können ob es hier auch zu Entmischungsvorgängen kommen kann sollten alle Simulationen fortgeführt werden. 5

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