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CFD Simulation
 

komplizierte Strömungssysteme veranschaulichen

In der Verfahrenstechnik spielt die Hydrodynamik eine entscheidende Rolle. CFD-Simulationen sind heutzutage ein effektives und kostengünstiges Tool zur Simulation komplizierter Strömungssysteme. Sie lassen gleichzeitig wichtige Parameter, z.B. Geschwindigkeit und Phasengrenzflächengestalt der Strömung, ermitteln und diese Erkenntnisse für genauere Apparateauslegung nutzen.

Die Computational Fluid Dynamics (CFD) ermöglicht es zudem, die lokalen Phänomene (Totzonen, Verweilzeit, Wirbelbildung, Phasenkontakt) aufzulösen, die messtechnisch teilweise nur schwer oder oftmals im Betrieb nicht zu erfassen sind. Durch die Untersuchungen am PC können Investitionskosten sowie Betriebskosten minimiert werden. Ebenso trägt die CFD maßgeblich zur Digitalisierung von Apparaten bei, da Unsicherheiten bei der Korrelationsbildung minimiert werden können.

Mehrphasige Systeme mit Stoffaustausch
 

Die Effizienz mehrphasiger Systeme mit Stoffaustausch wird durch die lokale Hydrodynamik bestimmt. Speziell in flüssig-flüssig Extraktionskolonnen unterliegt die Tropfengröße einer kontinuierlichen Änderung und beeinflusst somit den Phasenanteil sowie das Konzentrationsprofil der kontinuierlichen sowie dispersen Phase. Zur Berücksichtigung der Änderung wurden kommerzielle und OpenSource CFD Codes mit der Populationsbilanzmodellierung gekoppelt, die eine Berücksichtigung der lokalen Tropfengröße ermöglichen. Verschiedene Koaleszenz- und Zerfallsmodelle wurden untersucht und mit experimentellen Daten validiert. Die Berücksichtung von Stoffaustauschmodellen ermöglichte zudem eine Beschreibung des Konzentrationsprofils in der dispersen sowie der kontinuierlichen Phase.

Ebenso kann auf dieser Basis eine genauere Berechnung der axialen Dispersion mit Hilfe der Euler-Lagrange Modellierung erfolgen. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Daten bei unterschiedlichen Randbedingungen (Volumenströme, Drehzahl) sowie unterschiedlichen Kolonnentypen (Kühni, RDC) validiert.

Durch die Berücksichtigung von Reaktion sowie Partikeloszillation konnte maßgeblich zur optimierten Beschreibung von reaktiven Blasensäulen beigetragen werden. Hierbei wurde ein Euler-Euler Ansatz für großskalige Kolonnen sowie ein Euler-Lagrange Ansatz für den Technikumsmaßstab entwickelt und die Interaktion zwischen Reaktion und Hydrodynamik näher untersucht. 

Visualisierung der lokalen Tropfengröße und Dispersphasenströmung ©Kooperation mit Scientific Visualization Lab, University of Kaiserslautern: M. Hummel, C. Garth

Benetzung

Viele biologische und pharmazeutische Substanzen sind thermisch instabil. Bei Destillationen muss daher im Vakuum gearbeitet werden, was technisch in Packungskolonnen erfolgt.

Im Rahmen dieses Arbeitsprojektes wurde die Art der Zwei- bzw. Dreiphasenströmung (Flüssig-flüssig-Gas) in einer geordneten Packung im Zusammenhang mit den beeinflussenden Parametern von Gas- bzw. Flüssigkeitsbelastung und Eigenschaften der Fluida (Viskosität, Oberflächenspannung, Benetzung usw.), durch CFD-Simulationen ermittelt und im Anschluss durch experimentelle Beobachtungen validiert.

Die Phasengrenzfläche spielt bei den Trennverfahren, insbesondere für Stoff- bzw. Wärmeaustausch, eine wichtige Rolle