Chemiereport_2016-4

A n vielen industriellen Prozessen sind mehrere Phasen be- teiligt: Feste Partikel oder Gasbläschen sind in einer Flüs- sigkeit suspendiert, Tröpfchen bewegen sich in einer Emul- sion nicht mischbarer Flüssigkeiten. Beispiele dafür gibt es in den verschiedensten Branchen: Der Rührkesselreaktor eines Kunst- stoffherstellers ist ebenso ein Mehrphasensystem wie der Hoch- ofen, der zur Gewinnung von flüssigem Eisen aus Eisenerz ver- wendet wird. Ein CD-Labor an der JKU Linz, das im Februar seine Arbeit aufgenommen hat, hat sich auf die Simulation derartiger Mehrphasensysteme spezialisiert. Die Industriepartner kommen dabei sowohl aus der Kunststoff- als auch aus der Stahlindustrie. Mit Lokalmatador Borealis arbeitet das Department schon lange zusammen, in einem von Stefan Pirker geleiteten Vor- gänger-CD-Labor wurden bereits die Verhältnisse in Wirbel- schichtreaktoren zur Herstellung von HDPE untersucht. Nun wird es um Rührkesselreaktoren gehen, wie sie zur Herstellung von Katalysatoren der Kunststoffherstellung Verwendung fin- den, wie Simon Schneiderbauer erzählt, der das neu gegründete CD-Labor leitet. Im Mittelpunkt steht dabei die Beschreibung der physikalischen Prozesse in einem solchen Reaktor, etwa das Verhalten von Tröpfchen und die Stabilität der Emulsion. Bore- alis-Vorstandsmitglied Alfred Stern betont die praktische Bedeu- tung des Labors: „Es ist für uns von höchstem Interesse, diese Mehrphasenprozesse grundlegend zu verstehen und gewonnene Erkenntnisse in unsere Produktion zu implementieren.“ Aus der Stahlindustrie konnten zwei Unternehmen als Part- ner des CD-Labors gewonnen werden. Während die Voestalpine an der Optimierung des Hochofenprozesses interessiert ist, hat der Anlagenbauer Primetals einen Prozess entwickelt, bei dem Eisen in einem Wirbelschichtreaktor gewonnen wird, in den Reduktionsgas eingeblasen wird („Finex-Prozess“). Hier sieht man sich neben dem Verhalten der Partikel in der Wirbelschicht bzw. im Hochofen auch die Details der chemischen Zusammen- setzung von Erzpartikeln und Gasphase an. Detailverständnis statt „Trial & Error“ Bislang baute man beim Betreiben derartiger Anlagen auf den erarbeiteten Erfahrungsschatz auf oder tastete sich mit Ver- such und Irrtum voran. „Die Prozesse funktionieren in der Pra- xis ja. Will man sie aber noch weiter optimieren, muss man ein Verständnis für die Details entwickeln“, erklärt Schneiderbauer. Dazu müsse man beispielsweise wissen, wie der Kontakt zwischen Gas und festen Partikeln genau vor sich geht und wie man ihn ver- bessern könnte. Eine solche Optimierung kann sowohl eine Erhö- hung der Ausbeute als auch eine Verbesserung der Energieeffizi- enz des betreffenden Prozesses bedeuten. Dazu kommen spezielle Methoden der Computersimula- tion zur Anwendung. „Derartige Systeme, die aus Billionen von Partikeln bestehen, können nicht mehr im Detail aufgelöst wer- den, wenn man bei einer vernünftigen Rechenzeit bleiben will“, erklärt Schneiderbauer. Eine Vereinfachung der in der Realität vorgefundenen Komplexität erreicht man, wenn man die unter- schiedlichen räumlichen und zeitlichen Größenordnungen von- einander trennt und getrennt simuliert. Für die räumlichen Dimensionen bedient man sich dabei eines sogenannten Vergrö- ßerungsglas-Konzepts (englisch „Magnification Lens“). Dabei wird eine bestimmte Anzahl realer Partikel zu sogenannten „Par- cels“ zusammengefasst, die dann Volumen und Masse von z. B. 1.000 echten Partikeln aufweisen. Da sich ein solches Parcel aber nicht genauso wie ein echtes Partikel verhält, muss man im zwei- ten Schritt Korrekturen vornehmen (mithilfe sogenannter „Sub- gittermodelle“), um die nicht aufgelösten kleinskaligen Effekte zu berücksichtigen. Schließlich wird in einem dritten Schritt auch die Zeitskala vergröbert, um das Langzeitverhalten des Systems beschreiben zu können. Langzeitvision von Schneiderbauer ist, dass die Simulation so schnell vor sich geht, dass sie parallel zum realen Prozess läuft und mit echten Prozessparametern gefüttert wird. In diesem Fall könnte die Methodik dazu verwendet werden, Probleme in der Prozessführung in Echtzeit zu detektieren. CD-Labor für Mehrskalenmodellierung mehrphasiger Prozesse Reaktor in Computersimulation Ein von Simon Schneiderbauer geleitetes CD-Labor an der JKU Linz benutzt neuartige Modellierungsmethoden, um das Verhalten von Partikeln in Hochöfen und Wirbelschichtreaktoren zu verstehen. BMWFW - Abteilung C1/19 - AL Dr. Ulrike Unterer DDr. Mag. Martin Pilch T: (0)1 711 00-808257 www.bmwfw.gv.at/Innovation/Foerderungen CDG Dr. Judith Brunner T: (0)1 504 22 05 - 11 www.cdg.ac.at Kontakte Entgeltliche Einschaltung, Bild: Primetals Technologies Austria GmbH Die Firma Primetals hat einen Prozess entwickelt, bei dem Eisen in einem Wirbelschichtreaktor gewonnen wird („Finex-Prozess“) T: (0)171100-808257 T: (0)15042205 - 11

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