Vertieftes Prozessverständnis und grosse Kosteneinsparungen durch CFD

Im Jahr 2017 wiesen Delvigne et al. [1] in ihrer Publikation darauf hin, dass mit Hilfe von numerischer Strömungssimulation (CFD) die Anzahl der Scale-up-Versuche um 80 % reduziert und Kosteneinsparungen pro Versuch zwischen 40k $ und 80k $ erzielt werden können. V. Atiemo-Obeng und S. Kresta, E. Paul schätzten die Kosteneinsparungen durch den Einsatz von CFD in ihrem Buch „Handbook of Industrial Mixing: Science and Practice“ [2] für jeden einzelnen Prozessversuch auf 500k $ bis 1 Mio. $.

Dies sind nur zwei Beispiele, die den grossen Nutzen von CFD für Scale-up und Technologietransfer in Rührreaktoren aufzeigen. Der vorliegende Anwendungsfall zeigt eine spezifische Anwendung von CFD und wie Simulation helfen kann, ein vertieftes Verständnis für den Prozess zu gewinnen und Schlussfolgerungen für eine fundierte Entscheidungsfindung im Zusammenhang mit Scale-up und Technologietransfer abzuleiten.

Problemstellung

Mehrphasenmodellierung in gerührten Reaktoren ist dann erforderlich, wenn die Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche eine wichtige Rolle bei der Skalierung spielt, wie beispielsweise bei der Pulverauflösung. Einige Pulver neigen dazu, Klumpen zu bilden, wenn sie benetzt werden, wodurch die Auflösungsrate erheblich sinkt und zu unangemessen langen Auflösungszeiten führt. Eine geeignete Strategie für die Pulverzugabe ist daher unerlässlich. Dazu gehört die Wahl der richtigen Rührbedingungen und des Ortes der Pulverzugabe.

Erkenntnisse aus der Simulation und abgeleitete Empfehlungen

Beobachtungen von transienten Effekten in der Animation:

  • Periodische lokale Turbulenzzonen.
  • Aufwärts gerichtete axiale Geschwindigkeit UZ (rot).

Empfohlene Massnahmen:

  • Minimal erforderliche Turbulenz für geeignete Auflösungzeiten im Labor bestimmen.
  • Simulieren des Reaktors im grossen Massstab und Betriebsbedingungen bestimmen, die deutlich über der ermittelten Turbulenz liegen.

Unterweisung der Prozessoperatoren:

  • Vermeiden der Zugabe in der Nähe der Reaktorwand: Niedrige Turbulenzwerte und nach oben gerichtete Axialgeschwindigkeiten können dazu führen, dass das Pulver an der Oberfläche bleibt (rote Zonen).
  • Pulverzugabe innerhalb der Trombe: hohe Turbulenzwerte und nach unten gerichtete axiale Geschwindigkeit führen zu höheren Auflösungsraten und zu schnellerem Pulvertransport in die Bulkware.

Simulationsmetriken

Die Simulation wurde mit OpenFOAM v9 durchgeführt:

  • Löser: interFoam
  • Turbulenzmodell: RNGkEpsilon
  • Rotationsmodell des Laufrads: Bewegtes Gitter
  • Gas-Flüssigkeits-System: Luft-Wasser
  • Gittergrösse: ~ 1.5Mio

Referenzen

  1. Frank Delvigne, Ralf Takors, Rob Mudde, Walter van Gulik and Henk Noorman, TERRA Research Center, Microbial Processes and Interactions (MiPI), University of Liege, Li ege, Belgium. Institute of Biochemical Engineering, University of Stuttgart, Stuttgart, Germany 2017
  2. V. Atiemo-Obeng, S. Kresta, E. Paul. Handbook of Industrial Mixing Science and Practice (Wiley, Hoboken, NJ, 2004)
  3. Li, H.; Li, X.; Zhan, J.; Chen,W.; Zong,W. Study of Turbulent Kinetic Energy and Dissipation Based on Fractal Impeller. Sustainability 2023, 15, 7772.https://doi.org/10.3390/su15107772
  4. Schober, J.J.Fitzpatrick, Journal of Food Engineering, Volume 71, Issue 1, November 2005, Pages 1-8: Effect of vortex formation on powder sinkability for reconstituting milk powders in water to high solids content in a stirred-tank
  5. Thomas Hörmann, Daniele Suzzi, and Johannes G. Khinast, Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 21, 12011–12025 Publication Date: September 23, 2011 https://doi.org/10.1021/ie2002523: Mixing and Dissolution Processes of Pharmaceutical Bulk Materials in Stirred Tanks: Experimental and Numerical Investigations