Computational Fluid Dynamics in der Chemie- und Prozessindustrie. Wilfried F. Schierholz

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1 Computational Fluid Dynamics in der Chemie- und Prozessindustrie Wilfried F. Schierholz TECOSIM Technische Simulation GmbH Ferdinand-Stuttmann-Str. 15 D Rüsselheim Der Vortrag wurde gehalten beim 15. Köthner Rührerkolloquium, 14. Juni

2 Einleitung Die Anfänge der Strömungssimulation in der Chemie- und Prozessindustrie liegen circa im Jahr Damals begannen die großen deutschen Unternehmen, ihre Simulationsabteilungen um die Sparte Computational Fluid Dynamics (CFD) zu erweitern. Zunächst beschränkten sich diese CFD-Simulationen auf reine Strömungsberechnungen. Das änderte sich zunehmend mit der stetig steigenden Rechnerleistung und der Entwicklung kommerzieller CFD-Pakete. Die Kommerzialisierung der CFD-Software wurde vor allem von dem schnell und stark wachsenden Markt im Bereich der Automobilindustrie getrieben. Das Software-Geschäft mit der Chemie- und Prozessindustrie wurde als ein zusätzliches, lukratives Marktsegment gesehen. Heute steht dem Berechnungsingenieur neben den kommerziellen Tools mit Open FOAM noch ein offenes CFD-Paket zur Verfügung. Die Vorteile eines offenen CFD-Tools liegen auf der Hand. Dadurch, dass der Quellkode und damit auch alle Schnittstellen offen zugänglich sind, ist es einem weiten Kreis an Software-Entwicklern und dem erfahrenen Anwender möglich, maßgeschneiderte Lösungen für seine physikalischen Fragestellungen zu erzeugen. Weiterhin liefert eine offene Software den Hochschulen die Möglichkeit im Rahmen der Lehre unter Kenntnis der Programmdetails ihren Studenten die Grundzüge der Strömungssimulation zu vermitteln. Darauf aufbauend kann dann im Bereich der Forschung eine eigenständige Modellund Softwarelösung für eine physikalische Aufgabenstellung gefunden werden. Eine offene Software beinhaltet natürlich auch Nachteile. Ein wesentlicher Nachteil ist die Qualitätssicherung des Produktes, welche zu den Stärken der kommerziellen Anbieter zählt. Häufig ist die Dokumentation der Software und deren physikalischen Modellen bei einer offenen Software nicht so aktuell wie bei kommerziellen Tools. Computational Fluid Dynamics beinhaltet heute mehr als die reine Strömungssimulation. Der Berechnungsingenieur kann zum Beispiel auf Modelle zur Beschreibung von Newtonschen und nicht-newtonschen Fluiden, von laminaren oder turbulenten Strömungen, von Temperatur unabhängigen und abhängigen, Ein- und Mehrphasenströmungen sowie Strömungen mit chemischen Reaktionen zurückgreifen. Das Handwerkszeug für eine erfolgreiche Unterstützung der Chemiker, Physiker und Ingenieure in der Chemie- und Prozessindustrie steht also zur Verfügung. 2

3 In welchem Entwicklungsstand kann CFD eingesetzt werden? In der Chemie- und Prozessindustrie beinhaltet ein Entwicklungszyklus das chemische und physikalische Design des Produktes sowie dessen verfahrenstechnische Realisierung im Labor-, Technikums- und Produktionsmaßstab. Der Entwicklungsprozess umspannt einen Bereich von der Grundlagenforschung, der verfahrenstechnischen Realisierung bis hin zu Planung und Bau der Produktionsstätten unter den Nebenbedingungen von Qualitätssicherheit, Umweltverträglichkeit, Produktionssicherheit und Kosten. Die Abbildung 1 zeigt, in welchem Entwicklungsstand die Simulation in der Chemie- und Prozessindustrie zum Einsatz kommt. Abbildung 1: Einsatzbereich der Simulation in der Chemie- und Prozessindustrie Für die Projektingenieure stellt sich die Frage, in welchem Entwicklungsstadium die Computational Fluid Dynamics einen Beitrag bei der Produkt- und Verfahrensentwicklung leisten kann. In der Abbildung 1 ist der Entwicklungszyklus eines Produktes in der Chemischen- und Pharmazeutischen-Industrie aufgeführt. Man sieht, welche Simulationen zu welchem Entwicklungsstand (Atoms bis Plants) einen Beitrag leisten können. Der Anwendungsbereich der Computational Fluid Dynamics beginnt in der Nahtstelle zwischen dem Material Design und dem Prozess Design. Das heißt, CFD-Simulationen können schon im Labor oder bei der 3

4 Übertragung vom Labor in den Technikums-Maßstab Beiträge zum Produkt und dessen Herstellung liefern. Daran schließen dann die Bereiche der Verfahrensentwicklung, des Reaktor- und Komponentendesign bis zur Optimierung bestehender Prozesse an. Es liegt auf der Hand: Je früher ein Entwicklungsprozess von der Simulation begleitet wird, umso größer ist das Wissen über das Produkt und dessen Herstellungsprozess. Auf dieses Wissen kann dann über den gesamten Entwicklungszyklus zurückgegriffen werden. Dies führt zu einer hohen Produktqualität, reduziert die Entwicklungszeit und somit die Kosten. In einem führen Entwicklungsstadium sind Änderungen am Produkt und/oder dessen Herstellungsprozess kostengünstiger zu realisieren als gegen dessen Ende. 4

5 Beispiele für CFD Simulationen Im folgenden Abschnitt werden einige Beispiele von CFD-Simulationen vorgestellt. Die Beispiele sind nach Themen ausgewählt und decken nur einen kleinen Teil der Fragestellungen ab, die mit CFD behandelt werden können. Pumpen Der Transport von Stoffen erfolgt sehr häufig mit Hilfe von Pumpen. Die Beanspruchung der Stoffe in der Pumpe kann einen großen Einfluss auf die Produktspezifikation und qualität haben. Hinzu kommt, dass in Produktionsanlagen häufig die gleichen Stoffe mit Hilfe unterschiedlicher Pumpentypen gefördert werden. Wenn zum Beispiel die in der Pumpe auftretenden Scherraten für das Produkt von Bedeutung sind, ist deren Kenntnis zur Bewertung des eingesetzten Pumpentyps von Bedeutung. Die Abbildung 2 zeigt die Geometrie des Laufrads und die Scherratenverteilung einer Kreiselpumpe. Abbildung 2: Geometrie des Laufrades und Scherratenverteilung in einer Kreiselpumpe Fördert man zum Beispiel das gleiche Produkt mit einer Excenter-Schneckenpumpe, so erhält man eine andere Scherratenverteilung. In der Abbildung 3 sind der Geometrie und die Scherratenverteilung bei einer Excenter-Schneckenpumpe dargestellt. Bei der Bewertung, welche der beiden Pumpentypen für das jeweilig Produkt die günstigere Scherratenverteilung hat, muss neben den minimalen, maximalen und mittleren Scherraten auch die Beanspruchungsdauer in die Überlegungen eingehen. All diese Größen können mit Hilfe einer CFD Simulation berechnet werden. 5

6 Abbildung 3: Geometrie der Schnecke und Scherratenverteilung in einer Excenter-Schneckenpumpe Nicht-Newtonsche Fluide Bei vielen Fluiden in der Pharmazeutischen- und Chemieindustrie handelt es sich um nichtnewtonsche Medien. Beispiele hierfür sind Polymerschmelzen und Suspensionen. In einer Scherströmung zeigen solche Fluide ein scherentzähendes (Abnehmen der Viskosität) oder scherverfestigendes (Ansteigen der Viskosität) Verhalten. Dieses Verhalten führt zum Beispiel bei Rührprozessen, in Abhängigkeit von der Rheologie des Fluids, zu einer unterschiedlichen Strömung und damit auch zu einer unterschiedlichen Scherratenverteilung im Rührbehälter. In der Abbildung 4 werden die Ergebnisse einer CFD-Simulation eines scherentzähenden Fluids, eines newtonschen Fluids und eines scherverfestigenden Fluids bei gleicher Drehfrequenz dargestellt. Die nicht-newtonschen Fluide werden als verallgemeinerte Newtonsche Fluide modelliert, das heißt ihre Viskosität ist eine Funktion der Scherrate. In diesem Beispiel haben die 3 Fluide die gleiche Viskosität bei Scherrate Null. Bei den Geschwindigkeitsverteilungen sieht man, dass die Übertragung des Impulses beim scherentzähenden Fluid geringer ist als beim newtonschen und scherverfestigenden. Diese führt zu einer schnelleren Geschwindigkeitsabnahme im Bereich um den Rührer. Eine Folge der schnelleren Geschwindigkeitsabnahme sind größere örtliche Geschwindigkeitsgradienten (Scherraten). 6

7 Für das Design eines Produktes und/oder seines Herstellungsprozesses ist die Kenntnis der Rheologie des Stoffes und seines Strömungsverhaltens während der Prozessschritte zum Beispiel Rühren - von großer Bedeutung. Das gilt sowohl für den Labor- als auch für den Produktionsreaktor. Abbildung 4: Geschwindigkeits- und Scherratenverteilung in einem Rührbehälter Rührbehälter Misch- und Rührprozesse gehören zu den Grundoperationen in der pharmazeutischen und chemischen Industrie. Im vorstehenden Abschnitt wurden Untersuchungen von nichtnewtonschen und Newtonschen Fluiden in einen Laborreaktor gezeigt. Misch- und Rührprozesse umspannen einen weiten chemischen und physikalischen Bereich. Die Strömung in einem Rührbehälter kann ein- oder mehrphasig, laminar oder turbulent sein. Chemische Reaktionen und thermische Effekte können für die Produktentstehung und qualität eine wesentliche Rolle spielen. Bei der Festlegung von Scale-Up Kriterien für Mischund Rührprozesse kann die CFD neben den klassischen Methoden einen wichtigen Beitrag leisten. Die Abbildung 5 zeigt für einen einstufigen Impeller- und einen zweistufigen Sigma-Rührer die Geschwindigkeitsverteilung in einem Rührbehälter im Produktionsmaßstab. Anhand dieser Verteilung und daraus abgeleiteter Größen wie zum Beispiel der Wirbelstärken und der 7

8 Scherraten können integrale und lokale Aussagen über die Durchmischung und Beanspruchung des Fluids im Behälter getroffen werden. Bei thermischen Untersuchungen stehen Fragen nach dem Auftreten von überhitzten und unterkühlten Bereichen wie dem integralen und lokalen Wärmeübergang im Vordergrund. In der Abbildung 6 werden die lokalen Wärmeübergangswerte für die in Abbildung 5 dargestellten Geschwindigkeitsverteilungen gezeigt. Abbildung 5: Geschwindigkeitsvektoren in einem Rührbehälter mit einem einstufigen Impeller- und einen zweistufigen Sigma-Rührer Abbildung 6: Lokaler Wärmeübergangskoeffizient in einem Rührbehälter mit einem einstufigen Impeller- und einem zweistufigen Sigma-Rührer 8

9 Mehrphasenströmungen In einer Vielzahl von Prozessen in der pharmazeutischen und chemischen Industrie liegen Fluide in unterschiedlichen Phasen vor. Zum Beispiel spielen Gas-Flüssig Reaktoren eine große Rolle in der chemischen Synthese, in der Biotechnologie und bei der Abwasseraufbereitung. Als Beispiel für CFD-Untersuchungen auf diesem Gebiet werden in der Abbildung 7 die Geschwindigkeits- und Gasverteilung in einem Rührreaktor im Produktionsmaßstab gezeigt. In dem Reaktor befindet sich ein mehrstufiger Rührer. Die Gaszufuhr erfolgt über einen in Bodennähe angebrachten Verteilerring. Die Rechnungen wurden mit einem Euler/LagrangeModell vorgenommen, bei welchem die Flüssigkeit als Kontinuum und die Gasblasen als Partikel angenommen wurden. In der Abbildung 8 ist die Gas-/Flüssigverteilung in einem Reaktor in Abhängigkeit des Gasanteils im Zulauf dargestellt. Eine Fragestellung dieser Untersuchung war, welchen Einfluss der Gasanteil am Einlass auf den Gasanteil am Liquid-Auslass hat und welche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um diesen gering zu halten. In diesem Fall wurden sowohl die Flüssig- als auch die Gasphase mit einem Euler/Euler-Modell als Kontinuum modelliert. Abbildung 7: Geschwindigkeits- und Gasverteilung in einem begasten Rührreaktor 9

10 Abbildung 8: Lokale Gasverteilung in einem Gas/Flüssigreaktor in Abhängigkeit vom Gasvolumenanteil am Eintritt in den Reaktor 10

11 Zusammenfassung Seit den 90er Jahren wird die Computational Fluid Dynamics in der Chemie- und Prozessindustrie mit Erfolg eingesetzt. Sie hat sich auf Grund der vielfältigen chemisch und physikalisch anspruchsvollen Fragestellungen von der reinen Strömungssimulation zu einer Multiphysik-Simulation weiterentwickelt. Als eine der im Rahmen der Produkt- und Prozessentwicklung eingesetzten Simulationsmethoden leistet die CFD einen wertvollen Beitrag über einen weiten Entwicklungsbereich vom Prozessdesign, der Prozessentwicklung bis hin zur Optimierung von Produktionsanlagen. Anhand der Beispiele, die nur einen Teil der Möglichkeiten vorgestellt haben, wird klar, dass sehr unterschiedliche Aufgabenstellungen heute mit der CFD bearbeitet werden können und dies deutlich zur Effizienzsteigerung beiträgt. Unternehmensportrait TECOSIM TECOSIM ist der weltweit führende Entwicklungspartner für Computer Aided Engineering (CAE). Der Spezialist für numerische Berechnung und Simulation beschäftigt weltweit rund 400 Mitarbeiter. Das Unternehmen ist mit sieben Niederlassungen in Deutschland sowie Gesellschaften in Großbritannien, Indien und Japan vertreten. TECOSIM unterstützt Kunden aus den Geschäftsfeldern Mobilität, Energie, Industrie & Technik sowie Gesundheit. Die Ingenieure bearbeiten komplexe Aufgabenstellungen aus den Bereichen Struktursimulation, Strömungssimulation und Mehrkörpersimulation. Als Innovationstreiber setzt TECOSIM richtungsweisende Verfahren ein und berät umfassend von ersten Konzepten bis hin zu serienreifen Komplettlösungen. Software-Tools und Methoden zur Prozessoptimierung runden das Angebot ab. Weitere Informationen zu TECOSIM finden Sie unter 11