Kohlenräume

Beschreibung:

Seit weit über 100 Jahren ist die Durchströmung von Kornschüttungen bei der Wasseraufbereitung bereits ein Erfolgsmodell, das in unzähligen Anlagen zur Trinkwasserversorgung in Deutschland und weltweit zum Einsatz kommt. Doch trotz vorhandener theoretischer Erklärungsmodelle und empirischer Erkenntnisse über das Strömungs- und Stofftransportverhalten in Schüttungen, sind aufgrund des komplexen Verhaltens aufwändige praktische Versuche im halbtechnischen Maßstab bei vielen Anwendungen nicht zu ersetzen. Ein wesentliches Ziel muss es daher sein, die räumlichen Dimensionen der praktischen Versuche zu minimieren, um einerseits damit Investitions- und Betriebskosten bei der Prototypherstellung zu reduzieren und andererseits bei bestehenden Anlagen kostengünstige Optimierungen durchzuführen.

Das folgende Beispiel zeigt die mikroskalige, dreidimensionale Modellierung der Porenkanäle einer Aktivkohleschüttung.
Durch die zerstörungsfreie Aufnahme der Korndaten mit einem tomographischen Verfahren steht die Aktivkohleschüttung (Abbildung 1) nach dem Scannen für Versuche weiterhin zur Verfügung.

In Abbildung 2 ist der Porenraum der Schüttung selektiert und grau dargestellt. Die Aktivkohlekörner sind hier nur als Lückenräume zu erahnen. In Abbildung 3 ist dieser Porenraum wieder dargestellt, hier aber ergänzt um 4 Geschwindigkeitsprofile in verschiedenen Schüttungshöhen. Die Höhe der Profile zeigt die Größe der Geschwindigkeit an. Außerdem kann über die Profile auf die räumliche Strömungsverteilung geschlossen werden. Demnach ist in Abbildung 3 klar zu erkennen, dass es lokale Geschwindigkeitsmaxima gibt und die Strömung räumlich nicht gleichmäßig verteilt ist. Auch in Abbildung 4, die die Strömungsgeschwindigkeit in den Porenräumen in verschiedenen Querschnitten zweidimensional zeigt, ist eine ungleichmäßige Strömungsverteilung zu erkennen.

Die Modellierung der Aktivkohleschüttung ist Teil eines Forschungsprojekts in Zusammenarbeit mit der TU Darmstadt. Der gezeigte Teil der Aktivkohleschüttung ist noch zu klein, um gesicherte Aussagen über das Strömungsverhalten einer Aktivkohleschüttung im labortechnischen Maßstab zu treffen, hieran wird weiter gearbeitet. Dennoch deutet die Modellierung darauf hin, dass die Strömungsverteilung in der Schüttung ungleichmäßig ist und diese Verteilung einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den Stoffübergang gelöster Stoffe aus dem Wasser auf die Aktivkohle hat. Mit anderen Worten: Modellkonzepte, die von einer gleichmäßigen Pfropfenströmung in der Schüttung ausgehen, müßten in diesem Fall überdacht werden.

Diese Erkenntnisse konnten nur über eine dreidimensionale Modellierung der Strömungsverhältnisse im Porenraum der Aktivkohleschüttung gewonnen werden, also mit CFD.