Auslegung einer Wirbelschicht mittels Computed Fluid Dynamics (CFD)

Simulieren hilft sparen

11.05.2007 Wirbelschichtanlagen für Granulate auszulegen, war bisher nur über Versuche oder theoretische Berechnungen möglich und damit entweder aufwändig und teuer oder nur unter bestimmten Annahmen gültig. Simulationen der Anlage mit CFD stellen dagegen die wirklichen Verhältnisse dar und können Pilotversuche teilweise ersetzen.

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In einer Wirbelschicht werden Schüttgüter erhitzt, getrocknet und gecoatet. Die richtige Auslegung ist schwierig, denn die Prozesse sind transient, also abhängig von der Zeit. Eine ganze Reihe von Faktoren wie die Schichthöhe, die Gastemperatur und -geschwindigkeit sowie die Materialeigenschaften sind dabei zu berücksichtigen. Ein Fehler bei der Auslegung wird teuer. Ist das Fließbett beispielsweise zu klein, sind Korrekturen nur noch mit erheblichem Kostenaufwand möglich.

Bei der Firma Bühler AG sollte in einer Batch-Wirbelschicht ein granulares Produkt auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, damit eine Reaktion stattfinden kann. Unbekannt war die optimale Schichthöhe unter Berücksichtigung der Gastemperatur, der Gasgeschwindigkeit sowie der benötigten Aufheizzeit. ProcEng Moser führte verschiedene Berechnungen und Simulationen durch, damit die Wirbelschicht optimal ausgelegt werden konnte.
Zur Auslegung gibt es drei Lösungsansätze:

  • Theoretische Berechnung der Partikeltemperatur in Funktion der Zeit; eine Methode, die schnell und einfach durchzuführen, jedoch nur unter bestimmten Annahmen korrekt ist.
  • Durchführung von Versuchen und Messungen; Versuche können nur im Labor oder Pilotmaßstab ausgeführt werden und sind sehr zeitaufwändig. Die Methode ist jedoch etabliert und die Versuche finden mit dem jeweiligen Produkt statt.
  • Transiente Computed Fluid Dynamics (CFD) Simulation der Wirbelschicht. Mit diesem Verfahren können die realen Anlagen simuliert werden, es müssen keine theoretischen Annahmen gemacht werden. Allerdings ist der Rechenaufwand beachtlich.

Mit einem neuen CFD-Modell von Fluent lassen sich nun Wirbelschichten, hoch beladene Feststoffströme und Zyklone untersuchen. Im Modell können verschiedene Geometrien und Prozesszustände kostengünstig und effizient berechnet werden. Doch wie genau ist die neue Methode?

Theoretische Berechnungenbenötigen Annahmen

Im oben genannten Projekt wurde die Granulattemperatur in Funktion der Zeit mittels der theoretischen Berechnung, CFD-Simulationen und Versuchen ermittelt. Um die theoretische Temperaturkurve zu berechnen, ist eine Reihe von Annahmen nötig:

  • Die Wirbelschicht ist genügend hoch und der Wärmeübergang so gut, dass die Austrittstemperatur des Gases gleich der Partikeltemperatur ist.
  • Die Wirbelschicht ist so stark fluidisiert, dass die Partikel in der Wirbelschicht an jeder Stelle die gleiche Temperatur aufweisen.
  • Temperaturgradienten in den Partikeln werden nicht berücksichtigt, das heißt, die Wärmeleitung in den Partikeln ist sehr hoch.

Verschiedene Varianten prüfen

Aus allen Berechnungen werden hier zwei diskutiert: Wenn die Wirbelschicht zu hoch gewählt wird (Variante 1) oder die Gasgeschwindigkeit beziehungsweise die Gastemperatur zu niedrig ist, gibt das Gas seine Wärme sehr schnell und bereits im unteren Bereich der Wirbelschicht an das Produkt ab. In diesem Fall dauert das Aufheizen lange. In einer weiteren Simulation wurde die Schichthöhe reduziert und die Leerrohrgeschwindigkeit erhöht (Variante 3). Das Gas gibt seine Wärme nun über eine längere Strecke ab, die Aufheizzeiten sind kürzer. Um die gleiche Menge Produkt in dieser kürzeren Zeit zu erwärmen, wird allerdings eine größere Wirbelschichtfläche benötigt. Wenn die Wirbelschichthöhe dagegen zu niedrig ist, wird nicht die ganze Wärme des Gases an das Produkt abgegeben,die Anlage hat einen schlechten Wirkungsgrad.

CFD-Simulation liefertrealitätsnahe Ergebnisse

Die Ergebnisse der CFD-Simulationen stimmten mit den theoretisch berechneten Aufheizkurven des Granulates in beiden Fällen (Variante 1: hohe Schichthöhe, Variante 3: niedrigere Schichthöhe) sehr gut überein. Die aufgezeichneten Kurven waren praktisch deckungsgleich. Für Variante 3 wurde zusätzlich ein Versuch in einer Pilotanlage durchgeführt, um die realen Granulattemperaturen zu messen. Die Messwerte wichen maximal zehn Prozent von der theoretisch berechneten beziehungsweise aus der Simulation ermittelten Produkttemperaturkurve ab. Mit Ausnahme der ersten Messung lagen die Messresultate am Anfang generell tiefer. Durch das Anfahren der Anlage hatte die Gastemperatur zu Beginn noch nicht den Sollwert erreicht. Da die Anlage vor dem Befüllen jedoch vorgeheizt wurde, lag der erste Messpunkt höher. Diese erste Probe wurde unmittelbar nachdem das Granulat in die warme Anlage eingefüllt worden war gezogen. Auch bei der Vorhersage des Druckabfalls leistete die CFD-Simulation gute Arbeit: Die errechneten Werte entsprachen denen, die im Pilotversuch gemessen wurden.

Fazit: Mit Hilfe der verschiedenen Simulationen konnte die geplante Wirbelschichtanlage schließlich mit großer Genauigkeit ausgelegt werden – ohne böse Überraschungen, dafür aber mit erheblicher Kosteneinsparung. Benötigt man für die Auslegung einer Anlage beispielsweise sechs Versuche und können davon fünf durch CFD-Simulationen ersetzt werden, sinken die Kosten um 30 bis 40 Prozent. Außerdem kann im Gegensatz zu Versuchen, bei denen nur punktuell gemessen wird, das Verhalten der gesamten Anlage an jeder Stelle vorhergesagt werden. Ein weiterer Vorteil der CFD-Simulationen liegt darin, dass sie nicht an die Annahmen der theoretischen Berechnungen gebunden sind. Ist zum Beispiel die Schichthöhe so niedrig, dass das Gas nicht die ganze Wärme an das Granulat abgeben kann, wird dies in der Simulation berücksichtigt. In der theoretischen Berechnung bleibt es dagegen unberücksichtigt, da eine ausreichende Schichthöhe als Annahme vorausgesetzt wird. Die Aufheizkurve aus der CFD-Simulation verläuft in diesem Fall flacher als die theoretisch berechnete.

Heftausgabe: Mai 2007

Über den Autor

Lukas Moser, GeschäftsführerProcEng Moser
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