Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Universiẗat, Diss., 2008.

Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

In Offsetdruckanlagen wird neben der Druckfarbe eine im wesentlichen aus Wasser bestehende Flüssigkeit, sog. Feuchtmittel, auf das Papier übertragen. Diese Feuchtigkeit verbleibt nicht an der Oberfläche des Bedruckstoffes, sondern dringt unter der Wirkung von Kapillarkräften in den Kernbereich der porösen Struktur ein. Der zeitliche Verlauf dieses kapillaren Transportvorganges übt insofern einen entscheidenden Einfluß auf die Druckqualität aus, als eine schnelle Entfeuchtung der Oberflächenzone die Voraussetzung für eine vollständige Farbannahme beim sukzessiven mehrfarbigen Bedrucken darstellt. Darüber hinaus hängen feuchtigkeitsbedingte Änderungen des für die Gesamtstruktur maßgeblichen Deformationsverhaltens von der Geschwindigkeit ab, mit welcher sich die Flüssigkeit über den Querschnitt verteilt. In dieser Arbeit wird auf der Grundlage einer mischungstheoretischen Axiomatik ein Modell zur Beschreibung des kapillaren Flüssigkeitstransportes in Papier vorgeschlagen, dessen Homogenisierungsgrad einerseits den wesentlichen Einflüssen des Porenraumes auf das Transportverhalten Rechnung trägt, andererseits Einzelheiten nur soweit einbezieht, als sie sich einer Identifikation erschließen. Ein wesentliches Merkmal des strukturübergreifend formulierten Ansatzes besteht in der Einführung von Volumenanteilen für die Konstituierenden des als Mehrphasenkörper betrachteten teilgesättigten porösen Mediums. In Bezug auf die Formulierung eines makroskopischen Bewegungsgesetzes für den teilgesättigten Flüssigkeitstransport sowie hinsichtlich der Annahmen, welche die konstitutiven Beziehungen betreffen, wird auf den MUSKATschen Ansatz zurückgegriffen, wie er sich auf den Gebieten der Hydrologie bzw. der Bodenphysik bewährt hat. Mit der Vernachlässigbarkeit des Schwerkrafteinflusses sowie der Annahme einer kompressionsfreien Verdrängung der im Porenraum enthaltenen Luft ergeben sich gegenüber einem allgemeinen Zweiphasentransportproblem Vereinfachungen in der mathematischen Beschreibung: Die von der Luftströmung entkoppelte Betrachtung der Flüssigkeitsbewegung mündet in eine Transportgleichung vom Typ einer nichtlinearen Wärmeleitungsgleichung. Zur Lösung dieser parabolischen Differentialgleichung für das Anfangs-Randwert-Problem, wie es den obengenannten Ausbreitungsvorgang beschreibt, wurde das Heat-Transfer-Tool des kommerziellen Finite-Element-Programms MARC eingesetzt. Auf der Grundlage experimentell ermittelter Porengrößenverteilungsdichten gelang eine näherungsweise Bestimmung der Transportkoeffizienten sowie der konstitutiven Beziehungen.

As same as other countries in the world, China is also facing the problem of a severe shortage of energy. Specifically, the demand for natural gas is rising explosively after the energy consumption structure has changed from oil to gas. Due to various reasons and motivations, shale has been considered having great reserves and believed in alleviating the energy crisis. Nevertheless, the massive investment in developing shale has a disappointing interest with low-yielding production. Scholars have done many researches and experiments for investigating the causes and increasing the productivity of shale formation, in field and in laboratory respectively. Based on the statistics, more details, and further discussion, in this dissertation a probable method for more effectively producing was demonstrated. Although the hydro-fracturing technology has been conducted in field frequently, sometimes the decrease of permeability has been observed after the treatment. To figure out this phenomenon, the investigation started from the basic characterization of matrix. Believed in the most component in shale, quartz consisted of silica which could dissolve in fluid. Been assigned as variables, temperature, pH, and salinity have been implemented for explanation of dissolution. Temperature played a great role in the process. Combined with confining pressure, the reconsolidation happened inside samples. Through more experiments the mechanism of reconsolidation has been discovered that both confining pressure and temperature are necessary for gelling in fracture. Perspective on the whole formation, well logs were a super supplement to laboratory experiments. It serviced not only a further confirmation, but also pointed out the relationship between desorption capacity and different components. Samples from upper and lower formations have been used for going further. The exchange which exists between N2 and CH4 could be a great idea to exploit gas from reservoir. Feldspar supported space for adsorbed gas, and it was also easy to release. In contrast, the organic matter in which a network of pores developed has ability to trap the gas deeply because of the specific surface area. Quartz had positive effect on production because of containing the organic matter, while the influence of clay minerals on adsorption and desorption could be neglected. Based on the analysis of reconsolidation and desorption, an idea has been conceived using foam as fracturing fluid for increasing gas production. Compared to the pure fluid, foam has less water, which could prevent the reconsolidation. Nitrogen could be the gas to foam. The exchange between N2 and CH4 will increase the production of gas. In order to serve the condition that increases the time of exchange and makes negative effect on reconsolidation simultaneously, the foaming test with ABS and K12 has been evaluated first. For better stability of foam more experiment have been done. Three formulas were recommended which could keep the balance between the increasing viscosity and decreasing volume. The work interpreted in this thesis has enhanced our understanding of microscopic properties of shale and was expected to make contribution to further research of fracturing and production design.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Thematik des hydraulischen Feststofftransports in Druckrohrleitungen zur Bestimmung der hydraulischen Energieverluste des Wasser-Feststoff-Gemisches und der wirtschaftlichen Gemischgeschwindigkeit (der s.g. kritischen Geschwindigkeit) vcrit. Zu diesem Zweck wurde der Transportvorgang in verschiedenen Rohrkonfigurationen (horizontal, schräg und z. T. vertikal) an einem physikalischen Modell im Hubert-Engels-Labor des Instituts für Wasserbau und Technische Hydromechanik der Technischen Universität Dresden untersucht. Dabei kamen drei Sandfraktionen zum Einsatz (0,1 - 0,5 mm; 0,71 - 1,25 mm und 1,4 - 2,2 mm). Die Partikel weisen eine Dichte von ρF=2650 kg/m³ auf. Ziel der Untersuchungen war, mithilfe der Messdaten eine Formel zur Berechnung des Verlustanteils der dispersen Phase an dem gesamten Energieverlust besonders für das heterogene und das quasi-homogene Transportregime in Abhängigkeit von den Einflussgrößen (Dichte, Konzentration, Partikeldurchmesser etc.) abzuleiten. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war, die kritische Gemischgeschwindigkeit genauer zu betrachten und einen entsprechenden Rechenansatz aufzustellen. Diese Geschwindigkeit stellt den Übergang von dem Transport mit beweglicher Sohle zum heterogenen Feststofftransport dar. Nach Abschluss der physikalischen Versuche wurde der Feststofftransport mit der Software ANSYS-Fluent numerisch untersucht. Im Fokus der Modellierung stand die Festsetzung der Wandrandbedingung für die disperse Phase, mit Hilfen derer die physikalisch gemessenen Energieverluste erreicht werden konnten. Die Simulationen wurden mit dem Euler-Granular-Modell durchgeführt. Hierbei wird der Feststoff als zweites Kontinuum betrachtet und seine rheologischen Eigenschaften wurden durch die Erweiterung der kinetischen Theorie der Gase auf die disperse Phase (eng. kinetic theory of granular flow KTGF) berechnet. Das angewendete zwei-Fluid-Modell (TFM) eignet sich sehr gut für alle möglichen vorkommenden Feststoffkonzentrationen und liefert gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen im Gegensatz zu dem Euler-Lagrange-Modell (DPM), welches lediglich bei niedrigen Feststoffkonzentrationen Anwendung findet.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis Indexverzeichnis 1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen des hydraulischen Feststofftransports in Rohrleitungen 2.1 Das Energiegesetz 2.2 Feststofftransport in Rohrleitungen 2.3 Partikeleigenschaften 2.4 Typisierung der Partikelbewegung mit der Strömung 2.5 Einfluss der Turbulenz auf die Partikelbewegung in horizontaler Rohrleitung 2.6 Transportzustände in horizontaler Rohrleitung 2.7 Transportzustände in vertikaler Rohrleitung 2.8 Stopfgrenze 2.9 Kräftebilanz an einem Feststoffpartikel 2.10 Dimensionsanalyse 2.10.1 Auflistung der Einflussgrößen 2.10.2 Anzahl der dimensionslosen π-Parameter 2.10.3 Auswahl der Hauptvariablen 2.10.4 Ermittlung der π-Parameter 2.10.5 Form des funktionellen Zusammenhangs 3 Bemessungsansätze des hydraulischen Transports 3.1 Stand des Wissens 3.1.1 Feststofftransport in horizontaler Rohrleitung 3.1.2 Feststofftransport in geneigter Rohrleitung 3.1.3 Feststofftransport in vertikaler Rohrleitung 3.1.4 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in horizontaler Rohrleitung 3.1.5 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in geneigter Rohrleitung 3.1.6 Weitere Rechenmodelle 3.2 Erweiterung des Energiegesetzes auf Gemischströmung 3.2.1 In horizontaler Rohrleitung 3.2.2 In geneigter Rohrleitung 3.2.3 In vertikaler Rohrleitung 4 Experimentelle Untersuchungen 4.1 Aufbau der ersten Versuchsanlage 4.2 Messtechnik 4.3 Umbau der Versuchsanlage 4.4 Untersuchungsmaterial 4.5 Experimentelles Verfahren 5 Numerische Simulationen mit ANSYS-Fluent 5.1 Grundlagen der Mehrphasenströmungen 5.2 Auswahl des numerischen Modells 5.3 Das Granular-Euler-Modell 5.3.1 Die Erhaltungsgleichung 5.3.2 Die kinetische Theorie der dispersen Phase 5.4 Modellvalidierung 6 Vorstellung der Untersuchungsergebnisse 6.1 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in horizontaler Leitung 6.1.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.1.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Geschwindigkeit 6.2 Ergebnisse der hydronumerischen Untersuchungen in horizontaler Rohrleitung 6.2.1 Randbedingungen 6.2.2 Numerische Lösung und Konvergenz 6.2.3 Parameteranalyse anhand eigener Versuche 6.2.4 Numerische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen den hydraulischen Kenngrößen 6.3 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in vertikaler Leitung 6.4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 6.4.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.4.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Gemischgeschwindigkeit 6.5 Ergebnisse der numerischen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 7 Fehleranalyse und weitere Betrachtungen 7.1 Degradierung des Feststoffes 7.2 Die Abnutzung der Pumpe 7.3 Abrieb und Durchbruch der Rohrleitungen 7.4 Die Instabilität des Systems bei geringen Geschwindigkeiten 7.5 Messabweichung des Durchflussmessers 7.6 Fehlerquelle bei der Untersuchung der kritischen Gemischgeschwindigkeit 7.7 Fortbewegung der Feststoffe bei Geschwindigkeiten unterhalb vcrit 7.8 Einfluss der Transportkonzentration auf den Arbeitspunkt der Pumpe 8 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang / The present work deals with the hydraulic transport characteristics of sand-water mixtures in pipelines to determine hydraulic gradients and the deposition-limit velocity (critical velocity). For this purpose, the transport process in various pipe configurations (horizontal, inclined and vertical) was investigated on a physical model at the Hubert Engels Laboratory of the Institute of Hydraulic Engineering and Technical Hydromechanics of the Technical University of Dresden. Three sand fractions were used (0.1 - 0.5 mm, 0.71 - 1.25 mm and 1.4 - 2.2 mm) with particles density of ρF = 2650 kg/m³. The aim of the investigations was to develop a model for calculating the head loss percent-age of the disperse phase in terms of total energy loss, especially for the heterogeneous and quasi-homogeneous transport regime correlating to the influence quantities (density, concentration, particle diameter, etc.). Another important aspect for this work was to consider the critical velocity and to set up a corresponding calculation approach for this parameter. The deposition-limit velocity represents the transition from sliding Bed transport to heterogeneous transport. In the next step, the solids transport process was investigated numerical with ANSYS-Fluent. The focus of the modeling was the determination of the wall boundary condition for the disperse phase, with help of which the physically measured energy losses could be re-stored. The simulations were performed with the Euler Granular model. Here, the solid is considered to be the second continuum, and its rheological properties were calculated by expanding the kinetic theory of gases to disperse phase (KTGF).:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis Indexverzeichnis 1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen des hydraulischen Feststofftransports in Rohrleitungen 2.1 Das Energiegesetz 2.2 Feststofftransport in Rohrleitungen 2.3 Partikeleigenschaften 2.4 Typisierung der Partikelbewegung mit der Strömung 2.5 Einfluss der Turbulenz auf die Partikelbewegung in horizontaler Rohrleitung 2.6 Transportzustände in horizontaler Rohrleitung 2.7 Transportzustände in vertikaler Rohrleitung 2.8 Stopfgrenze 2.9 Kräftebilanz an einem Feststoffpartikel 2.10 Dimensionsanalyse 2.10.1 Auflistung der Einflussgrößen 2.10.2 Anzahl der dimensionslosen π-Parameter 2.10.3 Auswahl der Hauptvariablen 2.10.4 Ermittlung der π-Parameter 2.10.5 Form des funktionellen Zusammenhangs 3 Bemessungsansätze des hydraulischen Transports 3.1 Stand des Wissens 3.1.1 Feststofftransport in horizontaler Rohrleitung 3.1.2 Feststofftransport in geneigter Rohrleitung 3.1.3 Feststofftransport in vertikaler Rohrleitung 3.1.4 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in horizontaler Rohrleitung 3.1.5 Die kritische Gemischgeschwindigkeit in geneigter Rohrleitung 3.1.6 Weitere Rechenmodelle 3.2 Erweiterung des Energiegesetzes auf Gemischströmung 3.2.1 In horizontaler Rohrleitung 3.2.2 In geneigter Rohrleitung 3.2.3 In vertikaler Rohrleitung 4 Experimentelle Untersuchungen 4.1 Aufbau der ersten Versuchsanlage 4.2 Messtechnik 4.3 Umbau der Versuchsanlage 4.4 Untersuchungsmaterial 4.5 Experimentelles Verfahren 5 Numerische Simulationen mit ANSYS-Fluent 5.1 Grundlagen der Mehrphasenströmungen 5.2 Auswahl des numerischen Modells 5.3 Das Granular-Euler-Modell 5.3.1 Die Erhaltungsgleichung 5.3.2 Die kinetische Theorie der dispersen Phase 5.4 Modellvalidierung 6 Vorstellung der Untersuchungsergebnisse 6.1 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in horizontaler Leitung 6.1.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.1.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Geschwindigkeit 6.2 Ergebnisse der hydronumerischen Untersuchungen in horizontaler Rohrleitung 6.2.1 Randbedingungen 6.2.2 Numerische Lösung und Konvergenz 6.2.3 Parameteranalyse anhand eigener Versuche 6.2.4 Numerische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen den hydraulischen Kenngrößen 6.3 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in vertikaler Leitung 6.4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 6.4.1 Experimentelle Untersuchungen zum Energieverlust 6.4.2 Experimentelle Untersuchung zu der kritischen Gemischgeschwindigkeit 6.5 Ergebnisse der numerischen Untersuchungen in geneigter Rohrleitung 7 Fehleranalyse und weitere Betrachtungen 7.1 Degradierung des Feststoffes 7.2 Die Abnutzung der Pumpe 7.3 Abrieb und Durchbruch der Rohrleitungen 7.4 Die Instabilität des Systems bei geringen Geschwindigkeiten 7.5 Messabweichung des Durchflussmessers 7.6 Fehlerquelle bei der Untersuchung der kritischen Gemischgeschwindigkeit 7.7 Fortbewegung der Feststoffe bei Geschwindigkeiten unterhalb vcrit 7.8 Einfluss der Transportkonzentration auf den Arbeitspunkt der Pumpe 8 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang

Many fluid flow processes in nature and technology are characterized by the presence and coexistence of two ore more phases. These two- or multiphase flows are furthermore characterized by a greater complexity of possible flow phenomena and phase interactions then in single phase flows and therefore the numerical simulation of these multiphase flows is usually demanding a much higher numerical effort. The presented work summarizes the research and development work of the author and his research group on "Numerical Methods for Multiphase Flows" at the University of Technology, Chemnitz over the last years. This work was focussed on the development and application of numerical approaches for the prediction of disperse fluid-particle flows in the field of fluid mechanics and process technology. A main part of the work presented here is concerned with the modelling of different physical phenomena in fluid-particle flows under the paradigm of the Lagrangian treatment of the particle motion in the fluid. The Eulerian-Lagrangian approach has proved to be an especially well suited numerical approach for the simulation of disperse multiphase flows. On the other hand its application requires a large amount of (parallel) computational power and other computational ressources. The models described in this work give a mathematical description of the relevant forces and momentum acting on a single spherical particle in the fluid flow field, the particle-wall interaction and the particle erosion to the wall. Further models has been derived in order to take into account the influence of particle-particle collisions on the particle motion as well as the interaction of the fluid flow turbulence with the particle motion. For all these models the state-of-the-art from literature is comprehensively discussed. The main field of interest of the work presented here is in the area of development, implementation, investigation and comparative evaluation of parallelization methods for the Eulerian-Lagrangian approach for the simulation of disperse multiphase flows. Most of the priorly existing work of other authors is based on shared-memory approaches, quasi-serial or static domain decomposition approaches. These parallelization methods are mostly limited in theire applicability and scalability to parallel computer architectures with a limited degree of parallelism (a few number of very powerfull compute nodes) and to more or less homogeneous multiphase flows with uniform particle concentration distribution and minor complexity of phase interactions. This work now presents a novel parallelization method developed by the author, realizing a dynamic load balancing for the Lagrangian approach (DDD - Dynamic Domain Decomposition) and therefore leading to a substantial decrease in total computation time necessary for multiphase flow computations with the Eulerian-Lagrangian approach. Finally, the developed and entirely parallelized Eulerian-Lagrangian approach MISTRAL/PartFlow-3D offers the opportunity of efficient investigation of disperse multiphase flows with higher concentrations of the disperse phase and the resulting strong phase interaction phenomena (four-way coupling). / Viele der in Natur und Technik ablaufenden Strömungsvorgänge sind durch die Koexistenz zweier oder mehrerer Phasen gekennzeichnet. Diese sogenannten Zwei- oder Mehrphasensysteme zeichnen sich durch ein hohes Maß an Komplexität aus und erfordern oft einen sehr hohen rechentechnischen Aufwand zu deren numerischer Simulation. Die vorliegende Arbeit faßt langjährige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Autors und seiner Forschungsgruppe "Numerische Methoden für Mehrphasenströmungen" an der TU Chemnitz zusammen, die sich mit der Entwicklung und Anwendung numerischer Berechnungsverfahren für disperse Fluid-Partikel-Strömungen auf dem Gebiet der Strömungs- und Verfahrenstechnik befassen. Ein wesentlicher Teil der Arbeit befaßt sich mit der Modellierung unterschiedlicher physikalischer Phänomene in Fluid-Partikel-Strömungen unter dem Paradigma der Lagrange'schen Betrachtungsweise der Partikelbewegung. Das Euler-Lagrange-Verfahren hat sich als besonders geeignetes Berechnungsverfahren für die numerische Simulation disperser Mehrphasenströmungen erwiesen, stellt jedoch in seiner Anwendung auch höchste Anforderungen an die Ressourcen der verwendeten (parallelen) Rechnerarchitekturen. Die näher ausgeführten mathematisch-physikalischen Modelle liefern eine Beschreibung der auf eine kugelförmige Einzelpartikel im Strömungsfeld wirkenden Kräfte und Momente, der Partikel-Wand-Wechselwirkung und der Partikelerosion. Weitere Teilmodelle dienen der Berücksichtigung von Partikel-Partikel-Stoßvorgängen und der Wechselwirkung zwischen Fluidturbulenz und Partikelbewegung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt im Weiteren in der Entwicklung, Untersuchung und vergleichenden Bewertung von Parallelisierungsverfahren für das Euler-Lagrange-Verfahren zur Berechnung von dispersen Mehrphasenströmungen. Zuvor von anderen Autoren entwickelte Parallelisierungsmethoden für das Lagrange'sche Berechnungsverfahren basieren im Wesentlichen auf Shared-Memory-Ansätzen, Quasi-Seriellen Verfahren oder statischer Gebietszerlegung (SDD) und sind somit in ihrer Einsetzbarkeit und Skalierbarkeit auf Rechnerarchitekturen mit relativ geringer Parallelität und auf weitgehend homogene Mehrphasenströmungen mit geringer Komplexität der Phasenwechselwirkungen beschränkt. In dieser Arbeit wird eine vom Autor entwickelte, neuartige Parallelisierungsmethode vorgestellt, die eine dynamische Lastverteilung für das Lagrange-Verfahren ermöglicht (DDD - Dynamic Domain Decomposition) und mit deren Hilfe eine deutliche Reduzierung der Gesamtausführungszeiten einer Mehrphasenströmungsberechnung mit dem Euler-Lagrange-Verfahren möglich ist. Im Ergebnis steht mit dem vom Autor und seiner Forschungsgruppe entwickelten vollständig parallelisierten Euler-Lagrange-Verfahren MISTRAL/PartFlow-3D ein numerisches Berechnungsverfahren zur Verfügung, mit dem disperse Mehrphasenströmungen mit höheren Konzentrationen der dispersen Phase und daraus resultierenden starken Phasenwechselwirkungen (Vier-Wege-Kopplung) effektiv untersucht werden können.

Die vorliegende Habilitationsschrift stellt den erreichten Stand der CFD-basierten Modellierung ein- und mehrphasiger Hochtemperaturprozesse dar. Die hierzu vorgelegten Arbeiten umfassen die Hochdruck-Partialoxidation von Erdgas, die Vergasung fester Einsatzstoffe in einem endothermen Flugstromreaktor und in einem mehrstufigen Wirbelschichtprozess sowie die Synthesegasaufbereitung in einem neuen Quenchreaktor. Der Forschungsschwerpunkt reicht dabei von der Entwicklung neuer Korrelationen zur Beschreibung der Strömungskräfte und des Wärmeübergangs basierend auf partikelaufgelösten Rechenmodellen über die Modellierung der thermochemischen Konversion reaktiver Einzelpartikel bis hin zur Berechnung und Optimierung unterschiedlicher Hochtemperaturreaktoren. / This habilitation thesis discusses the state of the art for the CFD modeling of single-phase and multi-phase high-temperature processes. The presented publications comprise the high-pressure partial oxidation of natural gas, the gasification of solid fuels in entrained-flow gasifiers and multi-stage fluidized-bed gasifier as well as the syngas treatment in a new quench reactor. The scientific approach covers the development of new correlations for flow forces and heat transfer based on particle-resolved numerical models, the modeling of the thermochemical conversion of reactive single particles, and the calculation and optimization of different high-temperature processes.

Die vorliegende Habilitationsschrift stellt den erreichten Stand der CFD-basierten Modellierung ein- und mehrphasiger Hochtemperaturprozesse dar. Die hierzu vorgelegten Arbeiten umfassen die Hochdruck-Partialoxidation von Erdgas, die Vergasung fester Einsatzstoffe in einem endothermen Flugstromreaktor und in einem mehrstufigen Wirbelschichtprozess sowie die Synthesegasaufbereitung in einem neuen Quenchreaktor. Der Forschungsschwerpunkt reicht dabei von der Entwicklung neuer Korrelationen zur Beschreibung der Strömungskräfte und des Wärmeübergangs basierend auf partikelaufgelösten Rechenmodellen über die Modellierung der thermochemischen Konversion reaktiver Einzelpartikel bis hin zur Berechnung und Optimierung unterschiedlicher Hochtemperaturreaktoren. / This habilitation thesis discusses the state of the art for the CFD modeling of single-phase and multi-phase high-temperature processes. The presented publications comprise the high-pressure partial oxidation of natural gas, the gasification of solid fuels in entrained-flow gasifiers and multi-stage fluidized-bed gasifier as well as the syngas treatment in a new quench reactor. The scientific approach covers the development of new correlations for flow forces and heat transfer based on particle-resolved numerical models, the modeling of the thermochemical conversion of reactive single particles, and the calculation and optimization of different high-temperature processes.

Bei der Behandlung organische Abfälle werden zunehmend Feststoff-Vergärungsverfahren mit Perkolation eingesetzt. Sie werden bevorzugt, wenn eine Vorab-Zerstörung der Feststoffstruktur nachteilig für die Gärrest-Verwendung oder sich daraus keine ökonomischen Vorteile ergeben. Das trifft auch bei strohartiger Biomasse zu. Zur satzweisen Vergärung wurden zahlreiche Erkenntnisse publiziert. Zeitgleich wurde das Sauter-Verfahren für den kontinuierlichen Betrieb zur Anwendungsreife entwickelt sowie am Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB) Forschungen einer zweistufigen Variante publiziert. Erstmalig erfolgt unter Verwendung von Silagen ein Vergleich der Varianten. Einflüsse der Perkolationsintensität auf Zusammensetzung und Eigenschaften der Feststoffe und der Prozessflüssigkeit sowie auf die Kinetik der Gasbildung werden untersucht. Die Perkolatzusammensetzung variiert variantenabhängig. OTS-Belastungs-Grenzen lassen sich in erster Näherung bestimmen. Geeignete Vergleichsparameter werden dargestellt. Betreiberbefragungen und messtechnische Begleitung einer Sauter-Anlage ergänzen die Arbeit. Eine differenzierte Beurteilung der Perkolationsverfahren ist nun möglich. Betrachtet werden die Feststoffdichte im Fermenter, die TS-Gehalte im Gärstock sowie der Schwimmschicht. Die Verweilzeit der partikulären Biomasse im Fermenter ist erheblich kürzer als bisher angenommen. Das beeinflusst direkt die Hydrolyserate und mittelbar die Mikroflora im Fermenter. Nähere Untersuchungen sind erforderlich. Auch bei Perkolationsverfahren beeinflusse Substratzusammensetzung und Mahlgrad die Kinetik der Gasbildung. Die Methanausbeuten unterscheiden sich nur unwesentlich von Rührkessel-Systemen. Die Erweiterung der perkolierten Vergärung durch eine Perkolat-Methanisierungsstufe sind höhere Raum-Zeit-Ausbeuten möglich. Das erlaubt eine zeitlich gesteuerte Methanerzeugung, wobei Ausmaß und Leistungsgradient weiterer Forschung bedürfen. / Numerous research findings and experience on the batchwise fermentation of stacked biomass are available. At the same time, the percolated and continuously operated Sauter-process was developed to market maturity. Research on a two-stage variant has been carried out and published by the Leibnitz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomics e.V. (ATB). This paper provides for the first time a direct comparison of the above-mentioned percolated process variants using maize and sedge silages. The effects of percolation intensity on composition and properties of the solids and the process fluid as well as on the gas formation kinetics are investigated in particular. Furthermore, suitable benchmarks of the variants are identified and evaluated. The link to practice is a operators questioning and a one year lasting monitoring of a Sauter plant. The findings allow a differentiated assessment of percolation processes. Findings on solid matter density as well as on dry matter content in the fermenting stock or floating layer are presented in detail. During continuous operation, particulate biomass retention time is considerably shorter than would result from usual calculation of hydraulic retention time. It is indicated that the microflora in the fermenter is also indirectly affected. This requires further research work. It is shown that in percolation processes substrate composition and extent of grinding also dominate the gas formation kinetics, albeit to different extents. Methane yields differ under comparable load and operating parameters only marginally from yields of stirred tank systems. Composition of percolate also varies variant-specific. Findings can be used to define in a first approximation limits of volatile solid load. It has been proven that percolated solid-state fermentation with an additional percolate methanization stage allows higher space-time yields. This extra stage suits also for controlled flexible methane production.