Optimierung von Mischprozessen

Zusammenhang zwischen Strömungsprozess und Substrateigenschaften

  • Abb. 1: Einfluss von Feststoffgehalt und Granulometrie auf die dynamische Viskosität von Gärsubstraten großtechnischer Biogasanlagen (Temperatur: 40°C, Scherrate: 10 s-1)Abb. 1: Einfluss von Feststoffgehalt und Granulometrie auf die dynamische Viskosität von Gärsubstraten großtechnischer Biogasanlagen (Temperatur: 40°C, Scherrate: 10 s-1)
  • Abb. 1: Einfluss von Feststoffgehalt und Granulometrie auf die dynamische Viskosität von Gärsubstraten großtechnischer Biogasanlagen (Temperatur: 40°C, Scherrate: 10 s-1)
  • Abb. 2: Einfluss der Partikelgröße auf die Mischgüte (MG) bei Einsatz von zwei Tauchmotorrührwerken
  • Abb. 3: Einfluss der dynamischen Viskosität auf das sich im Fermenter ausbildende Strömungsprofil bei Einsatz von zwei Tauchmotorrührwerken

Kernstück in der Biogaserzeugung ist der Fermenter mit einer an die Inputsubstrate angepassten Rührwerkstechnik. Die Verteilung von frischem Substrat, die Ausbildung homogener Milieubedingungen sowie das Vermeiden von Schwimm- und Sinkschichten sind die wesentlichen Aufgaben, die mit der Rührtechnik realisiert werden sollen. Dieser Artikel adressiert rheologische Herausforderungen und Lösungen für eine zuverlässige Prozessführung.

Probleme bei der Auslegung von Rührsystemen für die Biogastechnik
Trotz der verstärkten Einbeziehung der numerischen Strömungssimulation (CFD) kommt es bei der Bemessung von Rührsystemen oftmals zu fehlerhaften Auslegungen. Als Ursache sind unter anderem die zurzeit noch vorhandenen Grenzen der CFD für Mehrphasenstoffsysteme zu sehen. Biogassubstrate setzen sich aus einer hochkonzentrierten nicht-Newtonschen Grundsuspension als Fermenterinhalt, einer einzumischenden grobdispersen Phase wie beispielsweise Silage oder Stroh und einer Gasphase (Gemisch aus Methan und Kohlendioxid) zusammen. Ansätze zur wissenschaftlichen Beschreibung von Rührsystemen in derartigen Mehrphasensystemen sind vorhanden [1-3], entsprechende CFD-Berechnungsmodelle für die Auslegung sind jedoch noch nicht Stand der Technik.

Zudem gibt es für diese opaken, hochkonzentrierten und zum Teil sehr faserigen Stoffsysteme bisher kaum Möglichkeiten für eine umfassende experimentelle Bewertung des Mischzustandes. Im Ergebnis dessen ist die Effizienz von Biogasreaktoren oft nur eingeschränkt vorhanden. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass das aktiv durchmischte Reaktorvolumen in Biogasreaktoren zwischen 60 und 80 % beträgt.

Bewertung von Mischprozessen mittels Prozess-Tomographie
Auf der Basis der am Fraunhofer IKTS vorhandenen Prozess-Tomographie kann erstmals eine Visualisierung und quantitative Bewertung von Mischprozessen opaker Stoffsysteme vorgenommen werden.

Das Tomographie-System besteht aus einem Rührreaktor mit an der Innenwandung angebrachten Elektroden (80 bis 128 Stück), dem Tomographie-Messgerät (DAS) sowie einem PC mit der entsprechenden Software zur Auswertung der gemessenen Daten. Es handelt sich um ein sogenanntes ERT-System (electrical resistance tomography), d. h.

die Messungen erfolgen auf Grundlage von Widerstandsänderungen infolge unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeiten. Das Anlegen einer definierten Stromstärke an den Elektroden führt zum Aufbau eines räumlichen Potenzialfeldes über dem Reaktorquerschnitt, was durch die verschiedenen elektrischen Leitfähigkeiten des Mehrphasensubstratgemisches unterschiedlich stark beeinflusst wird. Im Ergebnis dessen wird daraus die Verteilung der Leitfähigkeit bzw. Volumenkonzentration der zugegebenen, dispersen Phase im Reaktorsystem in Abhängigkeit des gewählten Rührsystems ermittelt.

Sowohl die maßstabsgerechte Ausführung von Reaktorsystem und praxisrelevanten Rührsystemen als auch die Skalierung der eingesetzten Fasern und Partikel stellen die Grundlage für die experimentellen Untersuchungen mittels Prozess-Tomographie zur räumlichen Verteilung der zu mischenden Stoffsysteme sowie den sich im Fermenter ausbildenden Strömungsgeschwindigkeiten dar. Die umfangreiche Substratcharakterisierung der einzusetzenden Stoffe und die zusätzliche Einbeziehung von Fermentationsversuchen erfüllen die Voraussetzungen, um funktionale Zusammenhänge zwischen dem aktiv durchmischten Reaktorvolumen, dem sich ausbildenden Geschwindigkeitsfeld, den vorliegenden Stoffeigenschaften sowie der Biogasqualität und -quantität ableiten zu können.

Einfluss der Substrateigenschaften
Untersuchungen zum Einfluss relevanter Stoffparameter haben gezeigt, dass insbesondere der Feststoffgehalt, die granulometrischen Kenngrößen wie Partikelgrößenverteilung sowie die rheologischen Eigenschaften, in Form der dynamischen Viskosität wesentlich die Durchmischung im Reaktor und damit die Ausbildung des Strömungsprofils bestimmen.

Breit verteilte faserige Stoffsysteme
Die in der Biogastechnik eingesetzten Stoffsysteme sind hinsichtlich ihrer Partikelgrößen sehr breit verteilt. Dies macht eine Erfassung der granulometrischen Kenngrößen mit einem einzelnen Messverfahren nicht möglich. Am Fraunhofer IKTS wird der Ansatz verfolgt, zwei Messverfahren miteinander zu kombinieren, um die Substrate in ihrer Gesamtheit granulometrisch bewerten zu können. Dafür erfolgt eine Fraktionierung der zu untersuchenden Stoffsysteme in einen Feinanteil und einen Grobanteil bei einem Trennschnitt von 1 mm. Der Feinanteil, d. h. Partikel kleiner als 1 mm, wird mittels Laserbeugespektroskopie und der Grobanteil, also alle Partikel, die größer als 1 mm sind, mit Hilfe einer quantitativen Bildanalyse bewertet. Anschließend erfolgt die Kombination beider Messverfahren, wobei der flächenäquivalente Kreisdurchmesser als einheitliche Partikelgröße zur Anwendung kommt.

Viskosität hochkonzentrierter, langfaseriger Stoffsysteme
Zur Bestimmung der Fließeigenschaften von Suspensionen existieren verschiedene Messverfahren mit dazugehörigen Geräten, wie beispielsweise das Rotationsviskosimeter ViskoTester VT550. Nachteilig ist, dass in Abhängigkeit des gewählten Zylindermesssystems nur Suspensionen mit maximalen Partikelgrößen zwischen 0,1 mm (System NV) und 1,7 mm (System MV3) vermessen werden können. Biogene Suspensionen aus Biogasanlagen weisen jedoch in der Regel Partikelgrößen mit einer Faserlänge von 50 mm oder mehr auf, sodass die am Markt vorhandenen Geräte für die Ermittlung der Viskositäten nicht genutzt werden können. Ein Abtrennen der größeren Fasern vor Beginn der Messung ist nicht sinnvoll, da dies zu einer deutlichen Reduzierung der Viskosität und damit zu einer Verfälschung der Fließeigenschaften führt. Am Fraunhofer IKTS wurden umfangreiche Untersuchungen zur Ermittlung der Viskosität solcher hochkonzentrierten, langfaserigen Stoffsysteme durchgeführt und zwei Messverfahren entwickelt.

Für die rheologische Bewertung faseriger Suspensionen mit einer maximalen Faserlänge von 20 mm eignet sich ein Standard-Rotationsviskosimeter VT550 mit einem 6-blättrigen Flügelrührer (Flügeldrehkörper FL10). Aufgrund der nicht definierten geometrischen Randbedingungen des Messgefäßes war diese Messanordnung vom Hersteller ursprünglich nur zur Prozesskontrolle vorgesehen. Nach eigenen umfangreichen Untersuchungen wurden für dieses Messsystem definierte geometrische Bedingungen festgelegt sowie ein weiterer Systemfaktor F, der die Geometrie des Messbechers berücksichtigt, eingeführt und in die Auswertung implementiert.

Für Suspensionen mit Faserlängen > 20 mm wurde ein modifiziertes Metzner-Otto-Verfahren entwickelt. Unter Verwendung eines geeigneten Rührsystems werden für definierte Rührerdrehzahlen und den erforderlichen Rührerleistungen die zugehörigen Newton-Zahlen berechnet. Entsprechend der für das Rührsystem geltenden Leistungscharakteristik können damit die korrespondierenden Reynolds-Zahlen ermittelt werden, aus denen die mittlere Scheinviskosität als Funktion der Rührerdrehzahl abgeleitet werden kann. Für die Umrechnung der Viskosität als Funktion von der Scherrate wird eine modifizierte Metzner-Otto-Konstante verwendet, die nicht nur durch die Rührergeometrie, sondern auch durch das rheologische Verhalten der zu untersuchenden Suspension beeinflusst wird.

Zusammenhang zwischen Stoffeigenschaften und Mischprozess
Abbildung 1 zeigt die Abhängigkeit der dynamischen Viskosität bei einer Scherrate von 10 s-1 und einer Temperatur von 40 °C vom Feststoffgehalt und der maximalen Faserlänge für Gärsubstrate von 10 großtechnischen Praxisanlagen. Es ist deutlich zu erkennen, dass es für die Auslegung bzw. Auswahl von Rührsystemen und die Bewertung von Mischprozessen nicht ausreichend ist, ausschließlich den Feststoff des im Fermenter vorliegenden Gärsubstrates heranzuziehen, sondern immer die granulometrischen Kenngrößen mit zu betrachten.

Dass der Zerkleinerungsgrad des verwendeten Stoffsystems einen signifikanten Einfluss auf das Mischergebnis hat, ist in Abbildung 2 gut erkennbar. Ein Vergleich der als Ergebnis der prozesstomographischen Untersuchungen ermittelten 3D-Tomogramme des Fermenters zeigt, dass es bei der Verwendung von grob gehäckseltem Stroh zur Ausbildung schlecht durchmischter Bereiche (rot) im Reaktor kommt. Wird Stroh mit einer geringeren Partikelgröße eingesetzt, so bildet sich nach der gleichen Mischzeit ein deutlich homogenerer Zustand im Fermenter aus, was sich ebenfalls in der ermittelten Mischqualität widerspiegelt.

Der Einfluss des Fließverhaltens auf das sich im Reaktor ausbildende Geschwindigkeitsfeld ist nachfolgend in Abbildung 3 dargestellt. Die aufgeführten Tomogramme zeigen dabei die Verteilung des zugegebenen Substrates (disperse Phase) im Fermenter in Abhängigkeit der Mischzeit t. Bei konstanten Rührerparametern führt eine Erhöhung der Viskosität zu einer deutlich reduzierten und damit schlechteren Durchmischung des Reaktors. Der Vergleich der sich ausbildenden Geschwindigkeitsfelder, bezogen auf die axialen Strömungsgeschwindigkeiten, zeigt, dass einerseits bei einer geringeren Viskosität höhere Geschwindigkeiten erreicht werden. Andererseits kommt es durch diese Änderung der Rheologie zu völlig unterschiedlichen Strömungsprofilen, wie die Darstellungen im unteren Teil von Abbildung 3 zeigen.

Diese Kenntnisse über den Zusammenhang von Substrateigenschaften und dem Mischungszustand in einem Reaktor dienen als Grundlage, um Mischprozesse in bestehenden und neuen Anlagen zu optimieren. Neben dem dargestellten Einfluss der Substrateigenschaften dient die Prozess-Tomographie auch zur Untersuchung von Rührerparametern, wie Rühreranordnung, -drehzahl, etc. und Bewertung deren Auswirkungen auf den Mischprozess.

Weitere Informationen
Der Einsatz der Prozess-Tomographie am Fraunhofer IKTS ist nicht nur auf das Gebiet der Bewertung biogener Suspensionen beschränkt, sondern es können fast alle Arten von dispersen Stoffsystemen untersucht werden.

Zudem ist es möglich nahezu jede gewünschte großtechnische Reaktorgeometrie sowie die entsprechenden Rührsysteme maßstabsgerecht nachzubilden und prozesstomographisch zu bewerten, was für eine hohe Praxisrelevanz der Untersuchungen spricht.

Danksagung
Wir bedanken uns für die Unterstützung des Landes Sachsens und der Europäischen Union sowie für die Förderung durch das BMELV und die Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe. Unser Dank gilt weiterhin unserem Kooperationspartner, der KSB AG.

Literatur
[1] Paschedag, A.: CFD in der Verfahrenstechnik. Allgemeine Grundlagen und mehrphasige Anwendungen. WILEY-VCH Verlag, Weinheim (2004)
[2] Decker, S.: Zur Berechnung von gerührten Suspensionen mit dem Euler-Lagrange-Verfahren. Dissertation, Halle-Wittenberg (2005)
[3] Wollny, S.: Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Partikelbeanspruchung in gerührten (Bio-)Reaktoren. Dissertation, TU Berlin (2010)

 

Autor(en)

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