Verfahrenstechnik 11/2017

MESSEN, REGELN,

MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN Lösungen für brennende Probleme Analyse der Leistungsfähigkeit von Schwefel-Reaktionsöfen Starke, unerwartete Vibrationen und Risse rund um Messgeberanschlüsse sind kritische Ereignisse. Vor allem wenn es sich dabei um den Reaktor einer Schwefelproduktionsanlage handelt, in dem sehr heiße Gasströme als Teil eines Prozesses zur Produktion von elementarem Schwefel chemisch reagieren. In dieser Situation wurden die Spezialisten eines Simulationsund Ingenieursdienstleister damit beauftragt, Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Autoren: Javier Garriz, Ravindra Aglave, Siemens PLM Software, Maryland Heights, Missouri, USA Porter McGuffie, Inc., ein Simulationsund Ingenieursdienstleister in Lawrence, Kansas, USA, untersuchte die Stabilitätsprobleme einer Schwefelproduktionsanlage. Seine Lösung basiert auf einer neuartigen Anwendung der Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics (CFD)) mit Star-CCM+ von Siemens PLM- Software – eine Herangehensweise, die nicht nur das Problem des Kunden löste, sondern auch zur Entwicklung eines einzigartigen Frameworks für die Analyse der thermoakustischen und chemischen Prozessleistung beliebiger verbrennungsgetriebener Anlagen führte. Das Framework verbindet Beobachtungen, Messungen und Multiphysik-Strömungsanalyse, um detaillierte Einsichten in die komplexen Interaktionen in den Reaktoren zu liefern – Einsichten, die ohne Multiphysik-Strömungsanalyse als Teil eines umfassenden Ansatzes nicht zu gewinnen gewesen wären. Das Ergebnis ist ein leistungsstarker Werkzeugkasten für die Problemanalyse in existierenden Reaktoren 01 CFD-Simulationen der Flammenmuster in einem Thermoreaktor bei gedrosseltem Betrieb (l.) und in vollem Betrieb ohne Drosselring (r.) 40 VERFAHRENSTECHNIK 11/2017

MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN wie auch für die Entwicklung neuer, leistungsstarker Reaktoren. Anatomie eines Thermoreaktors Der Prozess der Produktion bzw. der Rückgewinnung elementaren Schwefels aus Gasen, die Schwefelwasserstoffe enthalten, basiert auf dem modifizierten Claus-Prozess – eine mehrstufige Abfolge von chemischen Reaktionen, die im Thermoreaktor beginnt, wo zwei Prozessströme vermischt werden und miteinander reagieren. Der erste Strom enthält eine saure Gasmischung, der zweite besteht aus Luft, die zusätzlich mit Sauerstoff angereichert sein kann. Als erster Prozessschritt beeinflusst die Leistungsfähigkeit des Thermoreaktors direkt den Durchsatz der Schwefelproduktionsanlage und damit auch die Leistung der folgenden Prozesskomponenten, bspw. der Abhitzekessel. Der Zweck jeder Art von Separator, wie einem Drosselring oder einer Gitterwand, ist es, den Strom aufzubrechen und vom Brenner weg zu zerstreuen und damit das Verhalten in einem Rohrreaktor nachzuahmen – eine Konfiguration, die Rückvermischung verhindert. Rückvermischung ist das Auftreten einer zusätzlichen Vermischung in der Längsrichtung, was die Reaktionsstoffe verdünnt, die Reaktionsrate herabsetzt und so die Gesamtperformance des Brenners reduziert. Stationäre CFD-Simulationen werden schon seit Längerem für einige Probleme wie die Flammenform oder die Hitzebeständigkeit eingesetzt. Die grundsätzliche Zeitabhängigkeit der anderen wichtigen Phänomene – Vibrationen, Geräusche und chemischer Umsatz – erfordert jedoch transiente Methoden. Die Ingenieure bei Porter McGuffie setzen schon seit vielen Jahren CFD ein, um die unterschiedlichsten Probleme aus dem Bereich der chemischen Prozessindustrie zu lösen. Deshalb wussten sie, dass die Möglichkeit, die zeitlichen Abläufe der chemischen und Fluidinteraktionen innerhalb des Reaktors zu simulieren, eine vollständige Charakterisierung der Reaktorleistung liefern würde. Das richtige Modell Die Ingenieure von Porter McGuffie nutzten Daten aus CFD-Berechnungen, um ihre Konstruktionsentscheidungen zu treffen – das bedeutet allerdings, dass diese Daten innerhalb der für die Konstruktion zur Verfügung stehenden Zeit vorliegen mussten. Im Fall der Thermoreaktorsimulation wurde 02 CAD-Geometrie (l.) und zwei Ansichten des Berechnungsgitters (r.) für die CFD-Simulationen deshalb zur Turbulenzmodellierung das Detached Eddy Simulation (DES) Modell in Star-CCM+ verwendet. DES ist ein hybrider Modellieransatz, der Features der Reynolds-Averaged-Navier-Stokes-(RANS)- Simulation in bestimmten Bereichen des Stroms – bspw. in den Grenzschichtlayern – mit der Large Eddy Simulation (LES) in den instationären Bereichen kombiniert. Damit bietet diese Methode eine gute Balance zwischen der Genauigkeit, die für die Erfassung akustischer Charakteristika notwendig ist, und einem annehmbaren Aufwand an Rechenzeit und Ressourcen. Da der Thermoreaktor Teil eines größeren chemischen Prozesses ist, wurden die davor angeordneten Gebläse und die dahinter folgenden Abhitzekessel durch eine entsprechende Wahl der Randbedingungen berücksichtigt. So ließ sich das Rechengebiet auf wenige Komponenten beschränken: Brenner, Innenvolumen des Reaktors und einen stromabwärts gelegenen Bereich, der die Effekte der nach dem Reaktor gelegenen Komponenten mithilfe eines porösen Mediums simuliert. Temperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten und Gaszusammensetzung wurden der Wärmeund Materialbilanz (Heat and Material Balance, HMB) des Reaktors entnommen und in Form von Randbedingungen am Einlass des Modells aufgebracht. CFD + Messungen = Vertrauen Mithilfe der Simulation ließ sich die Ursache für die Vibrationen im Reaktor identifizieren, die stark genug waren, um die Schäden zu verursachen. Die Porter- McGuffie-Ingenieure nutzten eine weitere ihrer Kernkompetenzen – Instrumentierung und Messungen – um die Rechenergebnisse zu validieren. Es zeigte sich, dass die Vorhersagen der CFD-Modelle innerhalb einer Spanne von fünf Prozent mit den Messwerten des betroffenen Reaktors übereinstimmten. Um den Nutzen des neuen Werkzeugs nochmals zu demonstrieren und ohne geschützte Informationen über den Brenner zu verraten, wurde dieselbe Simulationsmethode auf drei weitere Szenarien angewandt. Diese haben ähnliche, aber eben nicht die gleichen Geometrien und Prozessparameter wie der Reaktor mit den Vibrationsproblemen. In jedem Szenario wurde die Leistung des Reaktors auf Basis derselben Parameter gemessen wie oben beschrieben. Die markant höhere Intensität des Geräuschs bei Vollbetrieb mit Drosselring korrelierte extrem gut mit den Messungen vor Ort – es gab weniger als fünf Prozent Differenz zwischen den berechneten Frequenzen und den gemessenen Vibrationen. Die neuartige Nutzung fortschrittlicher physikalischer Modelle in Star-CCM+ durch Porter McGuffie hat den Umfang der Einsichten erweitert, die Simulationen beim Verständnis ansonsten schwer zugänglicher Prozesse und bei der Optimierung von Thermoreaktoren liefern können. Und dies weit über die Beschränkungen der stationären Analyse hinaus. Tatsächlich führte dies zu einer Premiere in der Industrie: Einem validierten Analyseframework, das zum einen in der Lage ist, problematische Reaktoren umfassend zu untersuchen, zum anderen aber auch völlig neue Systeme im Vorhinein untersuchen und optimieren kann. Diese Arbeit zeigt den Wert von Multiphysik-CFD als Teil eines ganzheitlichen Ansatzes, der Beobachtung, Messungen, Experimente und Simulation umfasst, um bisher unlösbare multidisziplinäre Aufgabenstellungen anzugehen. www.siemens.com/plm VERFAHRENSTECHNIK 11/2017 41