A Scale‐up Strategy for the Fluid Flow in Biogas Plants

Abstract

The mixing process in biogas plants is fundamental for effectiveness. Unfortunately, difficulties at full scale mean that research must usually be performed at lab‐scale and the results up‐scaled. This study presents a scale‐up strategy for the fluid flow in shear‐thinning non‐Newtonian fluids. Dimensional analysis was applied to connect the influencing parameters, i.e., geometric dimensions, rotational speed, and rheological properties, to key figures. By using the Reynolds and Hedström number, standards for adapting the rotational speed and rheological properties were defined as a function of the scale. A sliding‐mesh model was selected for numerical simulations of a plant with a paddle agitator at two different scales. The scale‐up approach leads to similar velocity fields, which result in equal normalized mixing times.

Einfluss der Rührwerksposition auf den Mischprozess in Biogasanlagen anhand eines Paddelrührwerks

“…Nur bei Einhaltung wichtiger Skalierungsparameter ist eine Übertragung der Erkenntnisse vom Modell‐ auf den Originalmaßstab möglich. Nach Böhme et al und Annas et al müssen hierbei die Drehzahl und die Viskosität entsprechend des Skalierungsfaktors angepasst werden. Diese Vorgaben ergeben sich aus einer Dimensionsanalyse der folgenden Einflussparameter: Rührwerksdurchmesser d, Dichte des Fluids ρ , Drehzahl n , Leistungseintrag P , Scherrate , dynamische Viskosität η , dem Fließindex für scherverdünnende Fluide m , Erdbeschleunigung g , Fermenterdurchmesser D , Strömungsgeschwindigkeit v und Mischzeit t .…”

“…Diese Vorgaben ergeben sich aus einer Dimensionsanalyse der folgenden Einflussparameter: Rührwerksdurchmesser d, Dichte des Fluids ρ , Drehzahl n , Leistungseintrag P , Scherrate , dynamische Viskosität η , dem Fließindex für scherverdünnende Fluide m , Erdbeschleunigung g , Fermenterdurchmesser D , Strömungsgeschwindigkeit v und Mischzeit t . Die sich aus der Dimensionsanalyse ergebenden Kennzahlen können auf die folgenden Anforderungen für die Anpassung der Drehzahl und Viskosität reduziert werden .…”

“…1). Mathematisch lässt sich das Verhältnis der Drehzahlen im Original (o) und im Modell (m) über den Skalierungsmaßstab sowie das Verhältnis der jeweiligen Dichten ρ beschreiben , . …”

“…2.2). Eine Anpassung der Drehzahl und Viskosität führt bei geometrisch skalierten Systemen zu gleichen Strömungs‐ und Mischprozessen . Es stellen sich somit gleiche Reynoldszahlen im Modell und Original ein.…”

Biogas Plant Upgrade to CO2‐Free Technology: A Techno‐Economic Case Study

“…The electricity consumption of the agitator motors was taken into account for variable cost estimation. However, for the detailed engineering, it is suggested to apply a good scale-up strategy for mixing effectiveness [13]. Values of organic loading rates (OLR), fermenter volume, and combined heat-andpower (CHP) electric power are described in Tab.…”