31. CFD‐Simulationen von Blasensäulen und Schlaufenapparaten im industriellen Maßstab

Abstract

Die Acetaldehydproduktion (Hoechst-Wacker-Verfahren) durch Direktoxidation von Ethen erfolgt in einem kontinuierlich betriebenen Schlaufenreaktor. Der Reaktor besteht aus einer Blasensaule sowie einem Nebelfanger mit Fallrohr. Verschiedene Gas-und Flussigdosierungenresultierenineinerkomplexen, mehrphasigenstromung. Die Produkte werden am Kopf des Nebelfangers gasformig entnommen. Absorption, Desorption, Verdampfung und die chemischen Reaktionen beeinflussen den hydrodynamischen Reaktorzustand in signifikantem MaRe. Eine Stromungssimulation mit Stoffubergang zwischen Gas-und Fliissigphase sowie chemischer Reaktion sol1 AufschluB uber Phasen-und Komponentenverteilung geben. ZieldieserSimulationensindrealitatsnaheBeschreibungendes 1st-Zustandes als Grundlage fur Sicherheitsbetrachtungen von eventuell entstehenden zundfahigen Gemischen. Die CFD-Simulationen (Computergestiitzte Fluiddynamik) basieren auf 3-D-Modellen fur Impuls-, Energie-und Stofftransport. Als Basis der Simulation dient der kommerziell erhaltliche 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 verfahrenstechnische Modell beriicksichtigt eine zweiphasige Gas/Flussig-Stromung. 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 Energiegleichung basiert auf der Annahme eines isothermen Reaktors. Der Betriebsdruck ist konstant. Im Modell wird eine vom hydrodynamischen Druck abhangige Gasdichte beriicksichtigt. Die hydrodynamischen Instabilitaten im Betrieb erfordern die zeitabhangige Formulierung der Modellgleichungen. Die Uberpriifung des Modells auf Plausibilitat der Simulationsergebnisse erfolgt anhand 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 Bodenbereich des Nebelfangers instationar. Bei makroskopischer Betrachtung der Kreislaufstromung kann bald von einem quasistationaren Zustand gesprochen werden, da sich auch im Laufe der weiteren 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 Stromung einen Widerstand. Der sich dadurch aufbauende Druck gewahrleistet das Mitfiihren des Sauerstoffs aus der Voreinspeisung. Die Ergebnisse stimmen gut rnit der Erfahrung des Betriebs uberein. Aus dem Fallrohr steigen keine Sauerstoffblasen auf, in der Anlage eine wichtige Vo...