Werkzeuge und Methoden zur verbesserten fluiddynamischen Auslegung von Querstromböden mit Hochleistungsventilen

Motivation und Ziel

Trennkolonnen dienen der Separation von Mehrkomponentenströmen und finden vielfältigen Einsatz in der chemischen Industrie. Für den Betrieb solcher Apparate ergeben sich im Zusammenhang mit der zunehmenden Energiebereitstellung aus erneuerbaren Quellen wachsende Anforderungen im Hinblick auf eine flexible Fahrweise. Vor allem vergrößerte Über- und Unterlastbereiche, in denen dennoch eine hohe Trenneffizienz gewährleistet werden soll, stellen für die Auslegung eine Herausforderung dar. Insbesondere für Hochleistungsböden mit sogenannten Fixed- und Push-Valves mangelt es bislang an verlässlichen Methoden, um den Einfluss des Bodendesigns auf die komplexe Zweiphasenströmung von Flüssigkeit und Dampf sowie die Betriebsgrenzen abzuschätzen.

Im Rahmen eines gemeinsamen iGF-Vorhabens des HZDR, der TU München und der Ruhr-Universität Bochum werden daher umfangreiche experimentelle Arbeiten zur Charakterisierung der Zweiphasenströmung unter dem Einfluss von Ventilart, -anzahl und -anordnung sowie verschiedener Betriebsbedingungen und Stoffsysteme durchgeführt. Auf Basis der experimentellen Erkenntnisse werden anschließend Modelle entwickelt, mit denen eine Vorausberechnung für den Auslegungsprozess solcher Querstromböden mit Hochleistungsventilen in der Praxis ermöglicht werden soll.

Teilprojekt des HZDR

Am Institut für Fluiddynamik des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf wird in einem ersten Schritt ein Feldsensor aufgebaut, der in der Versuchskolonne der TU München zur Charakterisierung der Bodenüberströmung eingesetzt werden soll. Mit Hilfe des Sensors ist es einerseits möglich, ein dreidimensionales Feld der zeitlich gemittelten Phasenverteilung auf dem Querstromboden zu bestimmen. Andererseits kann durch die Verwendung einer Tracerlösung das mittlere Geschwindigkeitsfeld der Flüssigkeitsphase bestimmt werden.

In einem zweiten Arbeitsschwerpunkt wird ein grobskaliger CFD-Ansatz entwickelt, mit welchem die Einflüsse von Ventilart, -anzahl und -anordnung auf die makroskopische Strömungsausbildung auf Querstromböden untersucht werden können. Die Abbildung der Ventile soll hierbei mittels punktartiger Massen- und Impulsquellen realisiert werden. Zur Validierung des Modells werden zunächst Simulationen für einzelne Ventile und Ventilgruppen durchgeführt und diese mit experimentellen Daten verglichen. Dazu wird ein Versuchsstand aufgebaut, an dem die Zweiphasenströmung an Einzelventilen oder Ventilgruppen unter definierten Betriebsbedingungen untersucht werden kann. Hierbei ist unter anderem der Einsatz eigens entwickelter Messverfahren geplant, um detaillierte Informationen über die Strömungsfelder und -regime zu erhalten. Um die Eignung des Simulationsmodells für den industriellen Anlagenmaßstab zu demonstrieren, sind abschließend Vergleiche mit Experimentaldaten der Versuchsanlage der TU München geplant.

Weitere Informationen zum Projekt und den Arbeitspaketen der Projektpartner sind auf der projekteigenen Website zu finden: https://www.hzdr.de/coltray

Projektpartner

Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit der TU München und der Ruhr-Universität Bochum durchgeführt und durch zahlreiche Partner aus der Industrie unterstützt:

• RVT Process Equipment GmbH
• WelChem GmbH
• BASF SE
• Covestro Deutschland AG
• ENVIMAC Engineering GmbH
• Evonik Technology & Infrastructure GmbH
• Horst Weyer & Partner GmbH
• HZDR Innovation GmbH
• IBE Ingenieurbüro Bulander & Esper GmbH
• Linde GmbH, Linde Engineering
• Raschig GmbH

Förderung

Die Arbeiten wurden im Rahmen des iGF-Vorhabens 20835 BG durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Laufzeit: 01.03.2020 bis 30.09.2023

Publikationen

• Wiedemann, P.; Meller, R.; Schubert, M.; Hampel, U.:
  Application of a hybrid multiphase CFD approach to the simulation of gas–liquid flow at a trapezoid fixed valve for distillation trays
  Chemical Engineering Research and Design 193 (2023) 777-786, doi: 10.1016/j.cherd.2023.04.016
• Wiedemann, P.; Kota, S.P.; Weckesser, S.; Schleicher, E.; Schubert, M.; Hampel, U.:
  Numerical Simulation of the Two-Phase Flow at a Single Trapezoid Fixed Valve Using a Hybrid CFD Approach
  12th International Conference on Distillation & Absorption 2022, Toulouse
• Vishwakarma, V.; Wiedemann, P.; Schleicher, E.; Schubert, M.; Hampel, U.:
  A new approach for estimating the effective froth height on column trays
  Chemical Engineering Science 231 (2021) 116304, doi: 10.1016/j.ces.2020.116304