3D-Digitalisierung in der chemischen und Prozess-Industrie

Erfassung von Festbetten mit dem Creaform 3D-Scanner für CAD-Vergleiche und Verbesserung von Analyse- und Simulationsmethoden

Der Festbettreaktor (FBR) ist der am häufigsten verwendete Reaktortyp der chemischen und Prozess-Industrie (CPI). Befüllt werden FBRs meist mit keramischen Füllkörpern, sogenannten Pellets, die als Festbett-Katalysatoren eine zentrale Funktion besitzen. Ein ideales Pellet verfügt über eine große spezifische Oberfläche und erzeugt im Bett einen kleinen Druckverlust. Zudem beeinflusst die Pelletform maßgeblich den radialen Wärmetransport und die lokal auftretenden Geschwindigkeiten. Folglich gibt es eine Vielzahl von FBR-Pelletformen, z.B. Kugeln, Zylinder, Hohlzylinder auch mit Stegen, etc.

Der Zusammenhang zwischen Formgebung und FBR-Performance ist jedoch hochkomplex und erfordert einen großen Entwicklungsaufwand. Insbesondere die Katalysatorentwicklung in unterschiedlichen Pelletformen ist mit hohen Kosten und Zeitbedarf für deren Herstellung und Untersuchung in aufwendigen Experimenten verbunden. Da die Ansprüche an Katalysatorpellets in Zukunft eher weiter steigen werden, etwa durch den dynamischen Betrieb von FBRs, gibt es ein großes Interesse den Entwicklungszeitraum signifikant zu reduzieren. Die detailliertesten Modelle von FBRs bilden jedes Pellet im Reaktor geometrisch ab. Die Strömung in den Zwischenräumen, Energie- und Stofftransport in der Gasphase und in den festen Pellets, sowie Oberflächen- oder Gasphasenreaktionen werden im gesamten Reaktor mit der Finite-Volumen-Methode gelöst. Mit diesen Computational-Fluid-Dynamics (CFD) Simulationen gelingen Einblicke in FBRs, die experimentell nur sehr aufwendig oder überhaupt nicht möglich sind.

3D-Digitalisierung, CAD-Vergleich und Simulation

Das Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik (ICVT) der Technischen Universität Clausthal wurde 1991 gegründet und gehört zur Fakultät für Mathematik/Informatik und Maschinenbau. Es engagiert sich unter anderem im Forschungszentrum Energiespeichertechnologien (EST) der TU Clausthal und arbeitet dort an verschiedenen Projekten mit.

Im Rahmen des oben beschriebenen Projektes führt das ICVT explorierende Arbeiten durch, mit denen CFD-Simulationen und Additive Fertigung (3D-Druck) Hand in Hand die Entwicklung von FBR-Pelletformen intensivieren und schlussendlich beschleunigen. Dabei werden partikel-aufgelöste CFD-Simulationen, 3D-gedruckte Kunststoffpellets und anschließende Experimente im Rahmen von Rapid Prototyping kombiniert. Mit Hilfe der optischen 3D-Digitalisierung können zudem die synthetisch erzeugten Festbetten mit physisch hergestellten und 3D-digitalisierten Festbetten verglichen werden. Neben der Verbesserung von Simulationsmethoden zur Herstellung von synthetischen Festbetten kann die radiale Porosität bestimmt werden.

Für das Projekt setzte das Institut einen Creaform HandySCAN 3D Scanner ein, der im Labor oder direkt an der Anlage Anwendung findet. Für eine detaillierte Analyse von besonders kleinen Festbetten (Innendurchmesser: 1 Zoll, Pelletabmessungen: 6 x 6 x 6 mm) wurde das Scanner-Modell HandySCAN BLACK eingesetzt. Dieser bietet gegenüber anderen 3D-Digitalisiermethoden wie Computertomographen (CT) oder Kernspintomographen (MRT) diverse Vorteile:

• mobile 3D-Datenerfassung im Labor
• Volumetrische Genauigkeit von 0,020 mm + 0,040 mm/m
• hoher Detailgrad und Auflösung

Fazit

Mit Hilfe der 3D-Digitalisierung kann das Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik (ICVT) der Technischen Universität Clausthal reale Bettstrukturen mit synthetisch erzeugten Festbetten vergleichen und damit Simulationsmethoden verbessern. Die 3D-Digitalsierung mit Hilfe mobiler optischer Messmethoden wie dem HandySCAN 3D können eine schnelle und kostengünstige Alternative zu Computertomographen (CT) oder Kernspintomographen (MRT) für die Digitalisierung von Festbetten darstellen.