Modellbildung zur Berechnung der Flüssigkeitsumlaufgeschwindigkeit in einem Airlift-Schlaufenreaktor

Abstract

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Erstellung eines Modells zur Berechnung der Fließgeschwindigkeit des Trägerfluids in einem Bioreaktor namens "Hanging Gardens" der Fa. Ecoduna AG in Bruck an der Leitha, der nach dem Prinzip einer Airliftpumpe betrieben wird. Diese auch Mammutpumpe genannte Vorrichtung dient der Förderung von Flüssigkeit auf ein höheres Niveau, wobei am Boden einer Flüssigkeitssäule Gas eingebracht und die Flüssigkeit dadurch in Bewegung gesetzt wird. Dieses Modell ermöglicht es, ausgehend von den physikalischen Stoffeigenschaften der Fluide sowie den Konstruktionsmaßen der Anlage, eine Abschätzung für die gesuchte Geschwindigkeit zu erhalten. Dazu wird zunächst die Gasblasenentstehung an einer Düsenbohrung betrachtet und es werden unterschiedliche Konzepte zu ihrer Berechnung vorgestellt. Anschließend wird das Aufstiegsverhalten einer einzelnen Gasblase in einer Flüssigkeitssäule untersucht. Zur Aufstellung des Gleichungssystems wird das Mehrphasensystem durch ein Einphasensystem des Gemisches ersetzt. Aus diesen Gleichungen wird die Fluidgeschwindigkeit gewonnen, welche für die Algenkultivierung wesentlich ist. Abschließend wird der Einfluss der einzelnen Konstruktionsparameter auf dieselbe diskutiert. Dabei hat sich herausgestellt, dass das Modell erwartungsgemäß sensibel auf eine Änderung des Bohrungsquerschnitts der Gaszufuhröffnungen und des Überdrucks in der Gaszufuhr sowie der Bohrungsanzahl reagiert, während eine Änderung der Säulenhöhe oder des betrachteten Strömungsquerschnitts nur einen geringen Einfluss hat.

This thesis describes the concept of a model for the calculation of the circulation velocity of a liquid in a bio-reactor called "hanging gardens" of the company Ecoduna AG located in Bruck an der Leitha in Lower Austria, which works according to the principle of an airlift pump. This device serves the purpose of lifting liquid on a higher level by injecting gas on the bottom of a fluid column and thus setting the liquid in motion. This model provides an assessment of the velocity of the fluid, based on the physical properties of the fluid and the basic dimensions of the reactor. For this reason, this thesis first studies the formation of gas bubbles at a bore and presents different concepts for their modeling. Secondly it examines the uplift of a single gas bubble in a column filled with liquid. For the system of equations the multiphase system is replaced by a one-phase-system describing the mixture. From these equations the velocity of the fluid can be gained and finally the effect of the different construction parameters will be discussed. It will be shown that - according to expectations - the model reacts strongly to a change of the diameter of the bores for gas access and the positive pressure in the gas supply as well as to the number of bores, whereas a change of the height of the column of the liquid or of the examined diameter of the stream does not have any significant influence.