Numerische Strömungssimulation zur Berechnung der Verweilzeitverteilung in einem Biogasreaktor | CD-adapco
Numerische Strömungssimulation zur Berechnung der Verweilzeitverteilung in einem Biogasreaktor
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Publisher: 
Christian Bock
Date: 
월요일, 11월 28, 2011
Abstract: 

Die Biogaserzeugung stellt eine Technologie zur Bereitstellung eines CO2-neutralen Energieträgers
dar und gewinnt zunehmend an wirtschaftlicher Bedeutung. Da es sich um eine relativ
junge Technik handelt, befindet sie sich derzeit in einem stark progressiven Stadium. In vielen
technischen Bereichen, wie z.B. der Biologie und der Prozesstechnik ist deshalb hinsichtlich
der Raum-Zeit-Ausbeute noch viel Verbesserungspotential vorhanden. Das zentrale Organ
der Biogaserzeugung stellt der Fermenter dar, in dem in einer anaeroben Reaktion Biogas
erzeugt wird. Auf die Effizienz der biologischen Reaktion nimmt die Güte der Vermischung
des Biosubstrates einen maßgeblichen Einfluss. Es stellt sich daraufhin die Frage, wie die
Vermischung in einem Biogasreaktor experimentell charakterisiert werden kann. Eine Möglichkeit
wäre, die Vermischung anhand des Geschwindigkeitsfeldes im Reaktor zu beurteilen.
Da Geschwindigkeitsmessungen in Biogasreaktoren aufgrund des hochviskosen und feststoffbeladenen
Gärsubstrates jedoch sehr aufwendig sind und auch nur punktuell durchgeführt
werden könnten, ist diese Möglichkeit technisch nicht realisierbar. Eine praktikablere Variante
stellt die Charakterisierung der Vermischung mithilfe einer Verweilzeitstudie dar. Es
handelt sich dabei um ein gut erprobtes Werkzeug der Reaktionstechnik, das in der Regel
einfach umzusetzen ist. Diese Vereinfachung steht jedoch einem Verzicht auf örtliche Auflösung
der Vermischung gegenüber. Es ist somit möglich anhand einer Verweilzeitverteilung
Aussagen über Kurzschlussströmungen und Totzonen im Reaktor zu machen, nicht jedoch
wo sie lokalisiert sind. Für eine effektive Optimierung der Vermischung sind diese fehlenden
Informationen allerdings wichtig, so dass praktische Alternativen, die über die experimentelle
Verweilzeitstudie hinausgehen, ausfindig zu machen sind. Eine vielversprechende Möglichkeit
stellt dabei die Simulation mithilfe der numerischen Strömungsmechanik dar. In dieser Arbeit
wird deshalb die Vermischung in einem Biogasreaktor, der Teil einer großtechnisch betriebenen
Biogasanlage ist, mit Methoden der numerischen Strömungsmechanik untersucht. Der
betrachtete Biogasreaktor wird mit externen Pumpen durchmischt, die sich durch eine besondere
Wartungsfreundlichkeit auszeichnen. Bei der numerischen Strömungsmechanik handelt
es sich um eine relativ junge Disziplin, die erst in den achtziger Jahren des 20. Jahrhunderts in
der Industrie Bedeutung fand. Einhergehend mit einerseits zunehmend verbesserten physikalischen
Strömungsmodellen und mathematischen Lösungsalgorithmen und anderseits der fortschreitenden
Computertechnologie ist sie mittlerweile zu einem äußerst effektiven Werkzeug
geworden. Moderne kommerzielle Computerprogramme bieten darüber hinaus eine graphische

Bedienungsoberfläche, die besonders die Auswertung der Ergebnisse sehr erleichtert. Die

numerische Strömungsmechanik ermöglicht somit das Geschwindigkeitsfeld im Biogasreaktor

zu errechnen und Probleme genau zu verorten. Die darauf folgende Optimierung kann zudem
mit numerischen Methoden meist schneller und ressourcenschonender durchgeführt werden
als experimentell. Dennoch sind die numerischen Ergebnisse stets zu hinterfragen und mit
experimentellen Ergebnissen soweit möglich zu validieren. Aus diesem Grund widmet sich
ein großer Teil dieser Arbeit der Untersuchung der numerischen Methoden zur Bestimmung
der Verweilzeitverteilung, die weiterhin ein adäquates Werkzeug zur Charakterisierung der
Vermischung bleibt. Des Weiteren stehen experimentell bestimmte Verweilzeitverteilungen
des Biogasreaktors zur Verfügung, durch die die numerischen Ergebnisse überprüft werden
können.

Author Name: 
Christian Bock
Author Company: 
TU Berlin Fachgebiet Verfahrenstechnik
Products: 
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