Werkzeuge und Methoden zur verbesserten fluiddynamischen Auslegung von Querstromböden mit Hochleistungsventilen

IGF-Nr. 20835 BG

Die Gewährleistung optimaler Strömungsverhältnisse auf Kolonnenböden mit Hochleistungs-ventilen und deren verlässliche Auslegung wird künftig immer wichtiger, da durch die Energiewende eine Flexibilisierung der Lastbereiche von Trennprozessen erforderlich wird. Die Entwicklung von Böden und Ventilen sowie deren hydraulische Auslegung erfolgt in erheblichem Maße durch kleine und mittelständische Equipment-Hersteller und Ingenieur­dienstleister. Da ihnen bislang keine verlässlichen Auslegungstools für Hochleistungsböden zur Verfügung standen, wurde das Forschungsvorhaben „Werkzeuge und Methoden zur verbesserten fluiddynamischen Auslegung von Querstromböden mit Hochleistungsventilen“ initiiert und vom 01.03.2020 bis zum 30.09.2023 am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und an der Technischen Universität München (TUM) bearbeitet. Das Vorhaben wurde durch einen projektbegleitenden Ausschuss unterstützt, in dem sich Vertreterinnen und Vertreter aus elf namhaften Unternehmen der Branche engagierten und damit aktiv zum Erfolg des Projektes betrugen.

Das Vorhaben war in drei aufeinander aufbauende methodische Schritte gegliedert. Im ersten Arbeitsschwerpunkt wurde Versuchsinfrastruktur an den Forschungseinrichtungen auf- bzw. umgebaut sowie Messtechnik für die experimentellen Untersuchungen entwickelt. Hierzu zählt der Umbau einer Versuchskolonne im Technikumsmaßstab (DN1200), die an der TUM für umfangreiche Experimentalstudien mit dem Stoffsystem Wasser/Luft eingesetzt wurde. Speziell für diese Kolonne wurden vom HZDR Feldsensoren zur Vermessung der dreidimensionalen Phasenverteilung sowie zur Visualisierung der Bodenüberströmung entwickelt und aufgebaut. Darüber hinaus wurde an der RUB ein Laborversuchsstand aufgebaut, mit dem die Bodenüberströmung organischer Ersatzstoffsysteme untersucht und somit der Einfluss variabler Fluideigenschaften untersucht werden kann.

Im zweiten Arbeitsschwerpunkt wurden Experimentalstudien durchgeführt, welche zu einer umfangreichen Datenbasis für die Entwicklung und die Validierung von Auslegungs­werkzeugen führten. An der DN1200-Versuchskolonne der TUM wurden zahlreiche Messungen an unter­schiedlichen Ventilböden durchgeführt, wobei der Fokus einerseits auf den Betriebsgrenzen des Weepings und des Entrainments lag. Andererseits konnten durch den Einsatz der Feldsensoren des HZDR detaillierte Erkenntnisse über den Aufbau der Zweiphasenschicht und das Überströmverhalten der Flüssigkeitsphase gewonnen werden. Mit dem Versuchsstand der RUB wurden vergleichende Untersuchungen zur Bodenhydraulik für ein wässriges und ein organisches Ersatzsystem durchgeführt, wobei neben dem Druckverlust auch das Weeping und die Zweiphasenschichthöhe analysiert wurden. Zusätzlich wurden erste Untersuchungen zu Unterschieden im Blasenbildungsprozess durchgeführt.

Der dritte Arbeitsschwerpunkt umfasste die Entwicklung von Modellen zur verbesserten fluiddynamischen Auslegung von Querstromböden. Am HZDR wurde hierzu ein grobskaliger CFD-Ansatz zur Simulation der Bodenüberströmung entwickelt, der die Zuströmung des Gases durch die Ventile in Form lokaler Massen- und Impulsquellen abbildet. An der TUM werden auf Basis der gewonnenen Messdaten Modelle zur Vorhersage des Weepings, des Entrainments sowie der Zweiphasenschichthöhe entwickelt.

Die erzielten Ergebnisse und gewonnenen Erkenntnisse wurden in wissenschaftlichen Fachzeitzeitschriften sowie durch Konferenzbeiträge veröffentlicht und stehen damit einer weiteren Verwertung zur Verfügung. Konkrete Transfermaßnahmen zur aktiven Nutzung der entwickelten Werkzeuge und Methoden durch kleine und mittlere Unternehmen, z. B. durch weiterführende Kooperationsprojekte oder Weiterbildungsangebote befinden sich in Planung.

 

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 03/2020 bis 09/2023 am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Institut für Fluiddynamik, Abteilung Experimentelle Thermofluiddynamik (Bautzener Landstraße 400, 01328 Dresden, Tel. 0351/260-2744) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Uwe Hampel (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr. Roland Sauerbrey), der Ruhr-Universität Bochum, Institut für Thermo- und Fluiddynamik, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (Universitätsstraße 150, 44801 Bochum, Tel. 0234/32-26426) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Marcus Grünewald (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr.-Ing. Marcus Grünewald) und der Technischen Universität München, TUM School of Engineering and Design, Department of Energy and Process Engineering, Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik (Boltzmannstraße 15, 85748 Garching, Tel. 089/289-16501) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Harald Klein (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr.-Ing. Harald Klein)  

zurück