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Enhancement of energy efficiency in stirred tank reactors by use of computational fluid dynamics

Stefan, Alexander

The research subject of this work is the fluid and heat flow in a stirred tank reactor with immersing internals like heating elements and baffles. On the basis of an industrial esterification process, the investigation is focused on the efficiency improvement of the reactors unit operations and the interaction between stirrer and static elements. Since flow field measurements are not possible on the industrial precedent, the investigation is approached by computational fluid dynamics (CFD) simulation. Additionally, appropriate downscale models are constructed for flow pattern measurements via particle image velocimetry and serve as an essential validation instrument for the simulation results. The analysis of the flow conditions of the industrial reactor reveals considerable dead zone formations within the reactor. Those zones included substantial parts of the heater and therefore facilitated heat accumulation and product overheating. Moreover, the phase boundary shows very insufficient movement that delays particle suspension. Those issues are approached in a simulation study by varying the stirrer configuration. As a result, an optimized modification of the stirrer is implemented in the industrial reactor and shows significant improvement on operating utility consumption, heating characteristics, product quality and process control. The production capacity is augmented by up to 12 % higher batch sizes at 6.5 % shorter runtime. In order to maximize the heat transfer and to homogenize the temperature distribution in the reactor, a novel approach to heater design development is introduced where the kinetic energy that is generated by the stirrer is maximally exploited for incident flow towards the heat exchange surface. An iterative algorithm for adaptive design of the heater is formulated and successfully applied to systems with a radial pumping impeller. The result is a heater element, that achieves the same heat transfer as conventional helical heater coils – however with substantially lower exchange area and significantly improved temperature homogeneity. The realization of the final design in the laboratory demonstrates the validity of the model and opens the way for a new heater design and further development on a novel basis.

Gegenstand der Untersuchungen in dieser Arbeit waren Rührkessel mit eintauchenden Einbauten wie Heizelementen und Strombrechern. Basierend auf einem industriellen Veresterungsprozess wurde der Fokus der Untersuchungen auf die wesentlichen Grundoperationen gerichtet – das Mischen und das Heizen. Da der industrielle Reaktor für Strömungsfelduntersuchungen nicht zugänglich ist, wurden die Untersuchungen der Strömungsverhältnisse darin mit Computational Fluid Dynamics (CFD) –Simulationen angegangen. Zusätzlich wurden geeignete Downscale-Modelle konstruiert, mit denen Particle Image Velocimetry (PIV) –Strömungsmessungen durchgeführt werden konnten. Diese galten als essenzielles Validierungswerkzeug für Simulationsergebnisse. Die Simulationsmodelle, -methoden, -einstellungen und -prozeduren wurden für die Verwendung mit der CFD-Software OpenFOAM® und assoziierten Softwarepaketen erstellt. Eine virtuelle Arbeitsumgebung für effektive Verwendung der hergeleiteten Methoden und voreingestellten Simulationsstudien inklusive automatisierter Prozeduren wurde entwickelt und dieser Arbeit angehängt. Die Analyse der Strömungsfelder im Industriereaktor offenbarte große Totzonen innerhalb des Reaktors. Diese Zonen umfassten beträchtliche Teile der Heizelemente und ermöglichten somit Wärmestau und Überhitzung. Zudem zeigte die Phasengrenzfläche unzureichende Bewegung, was zur Verzögerung der Partikelsuspension führt. Diese Mängel wurden mit einer Simulationsstudie unter Variation der Rührerkonfiguration angegangen. Als Resultat wurde eine Modifikation des Rührers im Reaktor implementiert und zeigte signifikante Verbesserungen der Produktionskapazität, Betriebsmittelverbrauch, Heizcharakteristik, Produktqualität und Prozesskontrolle. Um den Wärmetransport zu maximieren und die Temperaturverteilung im Reaktor zu homogenisieren, wurde eine neuartige Herangehensweise an die Entwicklung der Heizelemente eingeführt. Dabei wird die vom Rührer eingetragene kinetische Energie maximal dafür ausgenutzt, direkte Anströmung der Austauschfläche zu gewährleisten. Ein iterativer Algorithmus für adaptive Entwicklung des Elements wurde formuliert und erfolgreich auf Systeme mit einem Radialrührer angewendet. Das Resultat ist ein Heizelement, das einen ähnlichen Wärmetransport wie herkömmliche Rohrschlangen erzielt, jedoch mit beträchtlich geringerer Oberfläche und mit signifikant verbesserter Temperaturhomogenität. Die Ausfertigung und Vermessung des entwickelten Heizelements im Labor bewies die Validität des Models und eröffnet auf einer neuen Grundlage den Weg für weitere Entwicklung von Heizelemententwicklung.

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Stefan, Alexander: Enhancement of energy efficiency in stirred tank reactors by use of computational fluid dynamics. 2019.

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