Simulation von Gas-Flüssigkeitsreaktoren mit halbempirischen Modellen

Die Modellierung und Simulation zweiphasiger Rührreaktoren führt unter simultaner Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen durch empirische Modellanteile in Zellenmodellen zu praxisrelevanten Berechnungsergebnissen. Aufgrund des empirischen Anteils, der insbesondere bei Zellenmodellen gut berücksichtigt werden kann und in dem wichtige Detailinformationen zur Reaktorgeometrie und zum Stoffsystem vorhanden sind, können die Aussagen unterschiedlicher Modellvorstellungen (reaktionskinetische Modelle, Stofftransportmodelle, fluiddynamische Modelle etc.) auf die Betrachtung der realen Betriebsweise fokussiert werden. Gegenüber Modellen, die ideale Vermischung im gesamten Prozessraum in den beteiligten Phasen voraussetzen, werden durch Zellennetzmodelle detailliertere Kenntnisse über den Prozess erzielt. Die räumliche Diskretisierung erlaubt die Berücksichtigung lokaler Vermischungsgrößen auf der Grundlage fluiddynamischer Eigenschaften, die wichtige Umsatz- und Selektivitätsinformationen beinhalten können. Da die numerischen Lösungseigenschaften der entstehenden differentiell algebraischen Systeme insgesamt als gut bewertet werden, kann gegenüber der Lösung von partiellen Differentialgleichungssystemen, wie sie bei CFD-Berechnungen auftreten, von kürzeren Rechenzeiten ausgegangen werden. Der Aufwand zur Erstellung detaillierter Modelle und insbesondere zur Bereitstellung der lokalen fluiddynamischen Modellparameter ist z. T. beträchtlich. So ist beispielsweise die Abbildung laminarer Strömungen in Rührbehältern bislang ungeklärt. Daher müssen insbesondere fluiddynamische Modellparameter aus maßstabsabhängigen Experimenten bestimmt und übertragen werden. Durch die derzeitig untersuchte direkte Kopplung von Geschwindigkeitsfeldern, wie sie unter anderem mit CFD-Berechnungen ermittelt werden können, ist in Bezug auf die Aussagekraft der Zellennetzmodelle besonders aussichtsreich. Hierdurch sind Modelle zweiphasiger gerührter Reaktoren möglich, die bei vertretbaren Rechenzeiten in Anlagensimulationsprogramme integriert werden.