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CFD-Simulation eines Schlaufen- reaktors mit Stoffubergang und chemischer Reaktion

- Abbildung. Schernatische Darstellung des Schlaufenreaktors rnit Codie- rung fur Flussigphasenanteile (rote Codierung = 100 % Flus- sigphase, blaue Codierung = 100 % Gasphase).

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H E I C O K O C H , B l R G l T B R A N D E R , G O T Z L A U S C H K E ,

U L R I C H S C H M I D T

AVENTIS RESEARCH & TECHNOLOGIES GMBH & CO KG, Production Technologies, Industriepark Hochst, Gebaude G811, D-65926 Frankfurt/M.;

E R H A R D F R A N K E N - S T E L L A M A N S

CELANESE GMBH, Betrieb Acetaldehyd, Industriepark Hochst, Gebaude E552, D-65926 Frankfurt/M.

Die Acetaldehydproduktion (Hoechst-Wacker-Verfahren) durch Direktoxidation von Ethen erfolgt in einem kontinuierlich betrie- benen Schlaufenreaktor. Der Reaktor besteht aus einer Blasensaule sowie einem Nebelfanger mit Fallrohr. Verschiedene Gas- und Flus- sigdosierungenresultierenineinerkomplexen, mehrphasigenstro- mung. Die Produkte werden am Kopf des Nebelfangers gasformig entnommen. Absorption, Desorption, Verdampfung und die chemi- schen Reaktionen beeinflussen den hydrodynamischen Reaktorzu- stand in signifikantem MaRe. Eine Stromungssimulation mit Stoff- ubergang zwischen Gas- und Fliissigphase sowie chemischer Reak- tion sol1 AufschluB uber Phasen- und Komponentenverteilung ge- ben. ZieldieserSimulationensindrealitatsnaheBeschreibungendes 1st-Zustandes als Grundlage fur Sicherheitsbetrachtungen von eventuell entstehenden zundfahigen Gemischen.

Die CFD-Simulationen (Computergestiitzte Fluiddyna- mik) basieren auf 3-D-Modellen fur Impuls-, Energie- und Stoff- transport. Als Basis der Simulation dient der kommerziell erhalt- liche CFD-Code CFX-4.2 problemspezifisch erweitert mit eigenen FORTRAN-Routinen. Das geometrische Modell wird in IDEAS 4 rnit mehr als 100 000 Zellen diskretisiert. Das verfahrenstechni- sche Modell beriicksichtigt eine zweiphasige Gas/Flussig-Stro- mung. Das Standard-k-&-Model1 schliedt die Impulsgleichung fur die turbulente Flussigphase. Die disperse, laminare Gasphase geht durch ein Euler-Euler-Model1 ein. Der Blasendurchmesser wird als konstant angenommen. Die Vernachlassigung der Ener- giegleichung basiert auf der Annahme eines isothermen Reak- tors. Der Betriebsdruck ist konstant. Im Modell wird eine vom hy- drodynamischen Druck abhangige Gasdichte beriicksichtigt. Die hydrodynamischen Instabilitaten im Betrieb erfordern die zeitab- hangige Formulierung der Modellgleichungen. Die Uberpriifung des Modells auf Plausibilitat der Simulationsergebnisse erfolgt an- hand von Betriebsbeobachtungen sowie Ausbeuten und Umsatzen im Betrieb.

Zu Beginn der Rechnung ist die Flussigkeit in Ruhe. Es zeigt sich eine Kreislaufstromung binnen weniger Minuten nach Zuspeisung der Kreisgasmenge. Der Stromungszustand ist durch die pendelnde Blasensaule und den Flussigkeits-Hold-up im Bo- denbereich des Nebelfangers instationar. Bei makroskopischer Be- trachtung der Kreislaufstromung kann bald von einem quasistatio- naren Zustand gesprochen werden, da sich auch im Laufe der wei- teren Minuten nur geringe Veranderungen abzeichnen: - die Durchmischung verbessert sich nur noch geringfugig;

- der Gasgehalt in der Blasensaule bleibt nahezu konstant und - es steigen keine Blasen aus dem Fallrohr auf. Besonders interessant ist ein gesteigerter Flussigkeits-Hold-up im Nebelfanger, der durch das Zuschalten der Sauerstoffzufuhr im Fallrohr signifikant steigt. Diese Gaseinspeisung bietet &r Stro- mung einen Widerstand. Der sich dadurch aufbauende Druck ge- wahrleistet das Mitfiihren des Sauerstoffs aus der Voreinspeisung. Die Ergebnisse stimmen gut rnit der Erfahrung des Betriebs uber- ein. Aus dem Fallrohr steigen keine Sauerstoffblasen auf, in der Anlage eine wichtige Voraussetzung fur eine sichere Betriebswei- se. Es bilden sich nach 15 min Laufzeit ca. 5 Vo1.-% Sauerstoff im Gas des Nebelfangers aus, welches dem im Betrieb ermittelten Wert entspricht und nicht zundfahig ist.

Die computergestiitzte Fluiddynamik fur mehrphasige Problemstellungen befindet sich im ae rgang wissenschaftlicher Forschung zu einem wirtschaftlichen Werkzeug der Anlagen- und ProzeBoptimierung. Kompromisse, die derzeit noch akzep- tiert werden mussen, sind: konstante Durchmesser der dispersen Phase, deren Festlegung fur das gesamte Rechengebiet, unzurei- chende Modellierung von Schaumen und Blasenpopulationen.

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CFD-Simulationen von B und Schlaufenapparaten industriellen MaBstab

D I P L . - I N G . D . P F L E G E R , D R . N . G I L B E R l

U N D D R . H:G. W A G N E R

asensa im

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BASF AG, Technische Entwicklung ZAT/EA. D-67056 Ludwigs- hafen.

Fur die Verbesserung des physikalischen Verstandnisses und die Auslegung von Mehrphasenreaktoren wird immer ofter die nume-