BRICK - Ein 1-D Simulationstool für Mehrphasenströmungen in Behältern

Die Auslegung von Apparaten der chemischen Verfahrenstechnik erfolgt in der Praxis oft noch auf der Grundlage experimenteller Untersuchungen oder mit groben Abschätzungen. Mit der Verbesserung der Rechentechnik nimmt jedoch die Bedeutung der numerischen Simulation der gekoppelten strömungsmechanischen, thermodynamischen und chemischen Prozesse in diesen Apparaten zu. Ziel der vorliegenden Modellentwicklung war es, einen weitgehend allgemeingültigen Programmkern, der die Transportgleichungen löst, zur Verfügung zu stellen. Spezielle Modelle für einzelne Phänomene oder Apparate sollen leicht über Interfaces ankoppelbar sein. Das ermöglicht insbesondere Untersuchungen zum Einfluß spezieller Phänomene und Modelle auf das Simulationsergebnis. Dreidimensionale Rechnungen erfordern i.a. einen sehr hohen Aufwand und sind meist nur für spezielle Probleme praktisch anwendbar. Bei dem vorgestellten Simulationstool für Mehrphasenströmungen in einem Behälter erfolgte daher eine Beschränkung auf die axiale Behälterkoordinate. Ausgangspunkt war die Simulation von Druckentlastungsvorgängen. Das Behältermodell muß das Aufwallen des Behälterinhalts wiedergeben und Aussagen zur Zusammensetzung des in die Abblaseleitung eintretenden Fluids liefern. Diese hängt von der Phasenseparation einschließlich des Schaumverhaltens des Fluids ab. Schäume treten in einer Vielzahl technischer Apparate wie Rührreaktoren, Blasensäulen, Trennkolonnen, Elektrolysezellen oder Bioreaktoren auf. Die Beschreibung von Schaumentstehung und Schaumzerfall am Gemischspiegel war ein spezielles Ziel der Modellentwicklung. Durch die Anwendung einer speziellen Partikelmethode für die Modellierung der Transportvorgänge wird zum einen die numerische Diffusion vollständig unterdrückt, zum anderen das Transportproblem weitgehend von den anderen Prozessen entkoppelt. Das Fehlen der numerischen Diffusion bringt Vorteile bei der Beschreibung von Diskontinuitäten, wie dem Übergang zwischen dem Mehrphasengemisch und dem Gasraum und damit bei der Modellierung der Schaumzone. Um das Modell einfach zu halten, wurden statt der Impulserhaltung nur ein zeitabhängiger Behälterdruck (ggf. mit Beachtung des geostatischen Drucks) und die Relativbewegungen der Phasen auf der Grundlage empirischer oder halbempirischer Ansätze (Driftbeziehungen) berücksichtigt.