CFD in der Verfahrenstechnik. Auslegung von Extraktionskolonnen durch CFD und Populationsbilanzen

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1 Gemeinsame Sitzung der Obleute der Arbeitskreise Umwelttechnik, Energietechnik und Verfahrenstechnik der VDI Bezirksvereine CFD in der Verfahrenstechnik Auslegung von Extraktionskolonnen durch CFD und Populationsbilanzen M. Mickler; René T. Eiswirth; M. Hlawitschka; H.-J. Bart Technische Universität Kaiserslautern Postfach 3049, Kaiserslautern, Germany Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. H.-J. Bart Tel.: +49 (0) 631/

2 Überblick Einführung und Hintergrund Zielsetzung Populationsbilanzen Fluent vs. OpenFOAM CFD-Simulation von Extraktionskolonnen OpenFOAM Ansys Fluent Messtechnik zur Validierung Particle Image Velocimetry Optische Messtechnik Zusammenfassung 2

3 Einführung Extraktion (lat. extrahere herausziehen ) Herausziehen einer Komponente aus einem Gemisch mittels Lösungsmittel (Solvent) Stofftrennverfahren basierend auf der Löslichkeit Extraktion von Aromastoffen Aromatentrennung 3

4 Hintergrund Verständnis für den Tropfen als kleinstes Element Scale-up Problematik der Extraktion In-silico Auslegung Populationsbilanzen werden 3-dimensional Flüssig-Flüssig-Systeme Ortsaufgelöste Informationen notwendig ε / m²/s³ 4

5 Scale-Up in der Extraktion D=32 mm H=1 m D=150 mm H=2,1 m D=0,4-2,7 m H=4-25 m 5 x D 3-20 x D Labor Pilot Produktion Virtuelles Labor 5

6 Zielsetzung Präzise Auslegung Extraktionskolonne am PC Koppelung von CFD mit Populationsbilanzen Validierung der Simulationen Particle Image Velocimetry Optische In-Line Messtechnik Auslegung von Extraktionskolonne Untersuchung von Mikroskopischen Tropfeninteraktionen Mesoskaligen Tropfenschwärmen Makroskaligen Auslegungsmethoden Binäre Tropfen- Tropfeninteraktionen Tropfenschwarm- und Populationsanalytik Gekoppelte CFD- PBM-Modelle u. Stofftransfer Thermische Verfahrenstechnik 6

7 Auslegung von Extraktionskolonnen Binäre Tropfen-Tropfen-Koaleszenz 7

8 Tropfen-Tropfenkoaleszenz Untersuchung der binären Tropfen-Tropfen-Wechselwirkungen Schwerpunkt Koaleszenz System Toluol/Aceton/Wasser Beschreibung der Transport und Grenzflächenphänomene Rigorose experimentelle und numerische Studien CFD-Simulation: Modellgleichungen für jede Phase (Kenig, 2010) Kontinuitätsgleichung Impulserhaltungsgleichung COMSOL Multiphysics Berechnungsgebiet ca Zellen 8

9 Tropfen-Tropfenkoaleszenz 0 ms 3,67 ms 7,33 ms 11,67 ms 14,83 ms 18,50 ms 22,17 ms 26,00 ms 29,67 ms 33,50 ms Interne Strömung bei Tropfengrößenverhältnis ca. 1 (Eiswirth, 2010) 9

10 Tropfen-Tropfenkoaleszenz 0 ms 3,83 ms 7,83 ms 11,67 ms 15,67 ms 19,5 ms 23,5 ms 27,33 ms 31,33 ms 35,33 ms Interne Strömung bei Tropfengrößenverhältnis ca. 0,7 (Eiswirth, 2010) 10

11 Tropfen-Tropfenkoaleszenz Interne Strömung bei Tropfengrößenverhältnis ca. 1,0 (Eiswirth, 2010) Interne Strömung bei Tropfengrößenverhältnis ca. 0,7 (Eiswirth, 2010) 11

12 CFD Simulation 0 ms 4 ms 8 ms 12 ms 16 ms 19,50 ms 23,5 ms 27,5 ms 33 ms 38 ms Interne Strömung bei Tropfengrößenverhältnis ca. 0,7 (Kenig, 2010) 12

13 Auslegung von Extraktionskolonnen Populationsbilanzen 13

14 Simulation: CFD + PBM CFD-Strömungssimulation von Extraktionskolonnen Geschwindigkeitsvektoren Verknüpfung mit Tropfenpopulationsbilanz und Interaktionsmodellen Tropfenzerfall/Koaleszenz Quantitativ und Qualitativ Zukunft Verknüpfung mit Stoffaustauschmodellen Stofftransfer In-Silico Auslegung von Extraktionskolonnen Hochleistungs-PC 14

15 Populationsbilanzen + CFD Populationsbilanzen Modellierung der Tropfenzerfälle und Koaleszenzereignisse 2 Modellgruppen: Klassenmethoden, Momentenmethoden Kombinationen: Multi Primary One Secondary Particle Method CFD Two-Fluid Modell CFD Multi-Fluid Modell Volumenanteil α Dissipation ε Geschwindigkeit v Sauterdurchmesser d 32 Volumenanteil α Dissipation ε Geschwindigkeit v i n Sauterdurchmesser d i n PBM Population balance PBM Population balance 15

16 Populationsbilanzen Tropfengrößenverteilung Sauter Durchmesser d 32 Zerfall Koaleszenz d 32 q Rühren q d 16 d

17 Programme zur CFD-Simulation Ansys Fluent vs. OpenFOAM 17

18 Fluent vs. OpenFOAM Benutzerschnittstelle User Interface OpenFOAM Kein User Interface, User Guide mit 3 Beispielen, Wenig Erklärungen Fluent Sehr gutes User Interface, Handbuch mit Tutorials Modellerklärungen Code Zugriffsmöglichkeit Voller Zugriff User Defined Functions Graphisches User Interface - ja Turbulenzmodelle RANS LES RANS LES Parallelisierung Ja, manuell Ja, automatisch Rührerbewegung MRF (nicht kompiliert) GGI / Moving Mesh (nur einphasig) Mehrphasenmodelle eingeschränkt ja MRF Moving Mesh Populationsbilanzen keine CM, QMOM, DQMOM Kosten keine Ca /a nur für PBM 18

19 Fluent vs. OpenFOAM CPU time speed up 3D linear stress analysis Zellen Number of CPUs CPU time speed up OpenFOAM: kostenlose Simulation auf >300 CPUs, Handarbeit Fluent: Sehr benutzerfreundlich, ausgereift, kein voller Zugriff 19

20 Auslegung von Extraktionskolonnen CFD Simulation 20

21 OpenFOAM: Multi Reference Frame Beispielsimulation in OpenFOAM (Hlawitschka, 2010) Kühni-Miniplant, 32 mm Modell MRFSimpleFoam turbulent 300 rpm Einphasig, Wasser Nachteile Stationäre Berechnung Genauigkeit ungewiss Populationsbilanzen zu implementieren 22

22 Fluent: Mehrphasensimulation Euler-Euler Ansatz Jede Phase als Kontinuum Stoffaustausch Turbulenzaustausch Energieaustausch Mehrkomponenten pro Phase Koppelung mit PBM Simulation als Sliding Mesh Instationäre Berechnung Höhere Genauigkeit als MFR Rechenaufwändig Zellen Sliding Mesh 23

23 Fluent: Mehrphasensimulation Mehrphasensimulation (Hlawitschka, 2010) Euler-Euler Ansatz Berechnung über Volumenanteil PIV Simulation 24

24 Fluent: Mehrphasensimulation Simulation mit 100 rpm (links) und 300 rpm (rechts) Akkumulation unter Statoren, Strombildung Durchmischung und Zerteilung am Rührer 25

25 Validierung Untersuchung von Tropfen- Geschwindigkeiten und Größen 26

26 Tropfenschwarmanalytik Untersuchung lokaler Tropfenschwärme Orts- und zeitaufgelöste Informationen über Tropfengröße, Konzentration und Geschwindigkeit Methoden: Particle Image Velocimetry (PIV) Optische Messtechnik Einsatz in dispersen Systemen c < % Verwendung spezieller Testsysteme Butylacetat/Wasser oder C18-Triglycerid/Wasser 27

27 Particle Image Velocimetry 28

28 Particle Image Velocimetry Rührerdrehzahl: 100 rpm Einphasig ohne Durchfluss Axialgeschwindigkeit v/vmax [m/s] 0,40 0,20 0,00-0,20-0,40 x/r [-] PIV CFD 29

29 Optische Messtechnik Optische Messtechnik Messung von scharf umrandeten Tropfen im Auf- und Durchlicht Definiertes Messvolumen = einfache Auswertung 30

30 Optische Messtechnik Detektion von Kreisscheiben Eulerische Distanztransformation, Wasserscheidensegmentierung Ziel: Tropfendurchmesser und Dispersphasenkonzentration 31

31 Messergebnisse Messgenauigkeit am Bsp. Holdup 16% 14% 12% Holdup / % 10% 8% 6% n=90rpm 4% 2% 0% 0 2,5 5 7, , , , ,5 30 Zeit / min 32

32 Messergebnisse Hold-up, transienter Einfahrvorgang (Batchbetrieb) 7% 6% 5% Holdup / % 4% 3% n=40rpm 2% 1% 0% 0 2,5 5 7, , , , ,5 30 Zeit / min 33

33 Vergleich mit PBM Berechnung von transienten Tropfeninformationen Tropfengröße und -konzentration Primary Secondary Particle Method (Attarakih, 2009) Interaktionen werden berücksichtigt (Koaleszenz/Zerfall) Hochaufgelöste Tropfenschwarminformationen notwendig Gekoppelte CFD-PBM-Simulationen zusätzlich Geschwindigkeit Beispiel: transienter Einfahrvorgang einstufige Extraktionskolonne im Batchbetrieb 34

34 Vergleich mit PBM Tropfengröße, transienter Einfahrvorgang (Batchbetrieb) 3,00 Sauterdurchmesser d32 / mm 2,75 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0 2,5 5 7, , , , ,5 30 n=40rpm, MPOSPM (Jaradat, 2010) Zeit t / min 35

35 Zusammenfassung OpenFOAM kostenlos, (fast) beliebig skalierbar Ansys Fluent anwenderfreundlich, leicht implementierbar Präzise Simulation von Strömungen Multi Frame of Reference (stationär) Euler-Euler mit Sliding Mesh (instationär) Populationsbilanzen notwendig bei mehreren Phasen Integration von Modellen zur Beschreibung von Tropfenschwärmen Validierung mit PIV und Optischer Messmethoden Ausblick: Verstärkte Koppelung von CFD + PBM, On-Line Messung 36

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. 37