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Simulation der Kristallisation

CFD-Simulation für mehr Effizienz in der Kali- und Salzindustrie

Minimierung der Produktionszeit und der Kosten

Auch in der Kali- und Salzindustrie geht es darum, die Abbau- und Produktionsverfahren kontinuierlich zu verbessern. Moderne Softwarewerkzeuge bieten effiziente numerische Methoden zur Strömungssimulation, um Optimierungspotenziale zu erkennen und erschließen, die Effizienz zu steigern und innovative Verfahren zu entwickeln.

Simulationen vermitteln ein besseres Verständnis für die eingesetzten Verfahren und ermöglichen eine hohe Transparenz bezüglich der technischen Eigenschaften sowie der Ursache-Wirkprinzipien. So lässt sich nicht nur die vorhandene Produktionstechnologie absichern, sondern auch die Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig steigern.

Kaliumchlorid (KCl) wird weltweit in großen Mengen als wichtiger Mineraldünger für die Landwirtschaft benötigt, ebenso als Ausgangsstoff für eine Vielzahl industrieller Erzeugnisse – von Kunststoffen bis zu Pharmaprodukten. Um diesen Bedarf zu decken, werden natürlich vorkommende Rohsalze aus unterirdischen Lagerstätten gewonnen.

Hohe Qualität und Reinheit erforderlich

Damit die erforderliche Qualität und Reinheit erreicht werden kann, müssen unerwünschte Begleitminerale (vor allem Natriumchlorid – NaCl) abgetrennt werden. Für die Herstellung besonders reiner Produkte sind Kristallisationsverfahren gut geeignet und haben sich deshalb seit langem in der Kali- und Salzindustrie etabliert.

Die K+S AG hat als einer der großen Anbieter von Düngemitteln und Industriesalzen ein neues Werk in Bethune in der kanadischen Provinz Saskatchewan in Betrieb genommen [1, 2]. Wegen der günstigen klimatischen Bedingungen kommt dort zur Gewinnung von kristallinem Kaliumchlorid unter anderem ein Kühlteich (engl. Cooling Pond, Bild 1) zum Einsatz. Das Funktionsprinzip des Ponds basiert auf der Abkühlung einer Salzlösung in einem mäandrierenden Kanal. Aufgrund der enormen räumlichen Ausdehnung des Ponds von knapp 500 m Breite und 600 m Länge können große Produktionsmengen realisiert werden.

Analyse physikalischer Prozesse mit Simulationen

Trotz des einfachen Grundprinzips sind die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse im Detail komplex und oftmals schwierig im vollen Umfang in Experimenten nachzustellen. Deshalb kommt bei K+S mit Ansys Fluent ein leistungsstarkes CFD-Tool (Computational Fluid Dynamics) für die Strömungssimulation zum Einsatz.

Mit dieser Softwarelösung können die bei den Prozessen auftretenden Effekte abgebildet werden. Das reicht von der einfachen Simulation des Strömungsfelds über die Kopplung mit Temperaturfeldern bis hin zur Modellierung der Kristallisation. Gemeinsam mit der Cadfem GmbH wurde beispielsweise für den Kühlteich ein Modell zur Berechnung des realen Produktionsprozesses entwickelt, um die Möglichkeiten der numerischen Simulation zu verdeutlichen.

Gestartet wurde mit einem zweidimensionalen Querschnittsmodell des Kanals im Kühlteich. Diese zeitabhängige Simulation kann eine Reihe von Fragen beantworten. Wieviel Kristallisat produziert wird, gehört mit Sicherheit zu den wichtigsten. Doch auch Unsicherheiten hinsichtlich der Zusammensetzung der kristallisierenden Salze können untersucht werden. Denn das Fluid wird mit einem besonderen Verfahren gewonnen, dem sogenannten Solungsbergbau (engl. Solution Mining, Bild 2).

Sättigungsgrenze des Kaliumchlorids

Dabei wird durch ein Bohrloch warmes Frischwasser in lösefähiges (Salz-)Gestein geleitet, wodurch mit Salzlösung gefüllte Kammern entstehen, sogenannte Kavernen. Im vorliegenden Fall können diese bis zu 1.500 m unterhalb der Oberfläche liegen. Im darauffolgenden Schritt wird die gesättigte Lösung über eine weitere Rohrleitung wieder zurück an die Erdoberfläche gefördert und weiterverarbeitet. Dazu wird Lösung in den Pond eingeleitet.

Dort erfolgt die Gewinnung von KCl durch Abkühlung der gewonnenen NaCl-/KCl-Mischlösung. Diese Lösung wird durch den Temperaturabfall nach und nach an die Sättigungsgrenze des Kaliumchlorids gebracht. Sobald diese Grenze überschritten wird, beginnt die Kristallisation von KCl, während NaCl in Lösung bleibt. Das bedeutet, dass sich aus der ehemals flüssigen Lösung kleine Salzkristalle bilden, die nun zu Boden sinken und das Endprodukt darstellen. Wenn eine ausreichende Anzahl von Salzkristallen zu Boden gesunken ist, werden sie mittels Schwimmbagger gewonnen, in die Fabrik gepumpt und weiterverarbeitet. Das Salz kommt dann beispielsweise als Düngemittel zum Einsatz.

Einflussparameter der Kristallisation

Das Kristallisationsverhalten ist sehr komplex und von einer Vielzahl von Parametern abhängig. Kristallisation an sich ist ein Massetransfer zwischen zwei unterschiedlichen Phasen. Dieser Prozess kann in Ansys Fluent durch die Auswahl eines passenden Mehrphasenmodells abgebildet werden. Im vorliegenden Fall sind die im Fluid gelösten Komponenten (NaCl, KCl) entscheidend. Die Kristallisation wird maßgeblich durch die Löslichkeiten beider Komponenten beeinflusst.

KCl hat eine Löslichkeit, die besonders stark von der Temperatur abhängt, wohingegen die von NaCl unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen ist. Genau auf dieser Tatsache beruht das Produktionsverfahren. Folglich spielen vor allem klimatische Verhältnisse und der daraus resultierende Energieaustausch mit dem Kühlteich eine entscheidende Rolle. Die korrekte Beschreibung des Wärmehaushalts erfordert die Berücksichtigung relevanter Effekte, beispielsweise der bei der Kristallisation freiwerdenden Enthalpie (Reaktionswärme). Zusätzlich sind Einflüsse, wie Konvektion, Strahlung und Verdunstung an der Wasseroberfläche, von Bedeutung. Bild 3 zeigt exemplarisch die Wärmeflüsse für die drei Arten und ihre Abhängigkeit von der Temperatur.

Mit der Simulation kann darüber hinaus der Einfluss des umgebenden Bodens auf das thermische Verhalten des Kühlteichs untersucht werden. Zur möglichst realitätsnahen Erfassung der Kristallisation wurden von K+S sowohl temperatur- als auch konzentrationsabhängige Löslichkeitskurven und Fluideigenschaften spezifiziert und in Fluent implementiert. Hierzu bietet Ansys Fluent mit UDFs (engl. User Defined Functions) eine passende Möglichkeit. Mit UDFs kann die Software für eigene, spezifische Fragestellungen erweitert werden.

Einfluss der Temperatur auf die Löslichkeit

Für das betrachtete System wurden treibende Merkmale, wie die Interaktion von Fluideigenschaften, thermische Randbedingungen und Kristallisationsprozesse, mittels UDFs implementiert. Mit dem erstellten Modell kann beispielsweise der Effekt von sich verändernden klimatischen Bedingungen auf die Kristallisatmenge untersucht werden. Im Laufe der unterschiedlichen Jahreszeiten durchläuft der Kühlteich eine breite Spanne von Zuständen, die sich auf die Produktionsmenge und -qualität auswirken.

Interessant sind daher zum Beispiel auch monatliche Schwankungen der Temperatur, die direkten Einfluss auf die Löslichkeiten der Komponenten haben. Aber auch Messdaten, wie die durchschnittliche Windgeschwindigkeit oder relative Luftfeuchtigkeit, beeinflussen das System. So kann bei starkem Wind mehr Wärme von der Oberfläche des Kühlteichs abgeführt werden, was sich positiv auf die Abkühlung auswirkt. Für einen charakteristischen Klimazustand erhält man mit dem Modell den Temperaturverlauf im Bild 4.

Zusammensetzung der Mischlösung

Ferner sind Veränderungen in der Zusammensetzung der Mischlösung als auch verschiedene Querschnittsformen und damit verbundene Füllstände virtuell abbildbar. Zusätzlich wurden zur Erweiterung des Querschnittsmodells die Modellparameter auf ein dreidimensionales Modell übertragen. Der Fokus liegt dabei auf den strömungstechnischen Gegebenheiten, um räumliche Effekte wie turbulente Durchmischungen zu untersuchen.

Speziell die Durchmischung, also ein möglichst konstantes Temperaturprofil von der Lösungsoberfläche bis zum Boden, hat für einen gleichmäßigen Ausfall von Kristallisat eine besondere Bedeutung. Bild 5 zeigt exemplarisch den Temperaturverlauf in einem Schnitt durch den Kühlteich, also in einer ausgewählten Höhe. Es wird schnell deutlich, wie stark die Lösung mit der kalten Umgebung interagiert. Bereits am Ende der ersten Bahn ist die Temperatur um knapp 15 °C abgekühlt.

Minimierung von Herstellungszeiten und -kosten

Zusammengefasst bietet der Einsatz der numerischen Simulation bei der Herstellung von Industriesalzen und Grundstoffen für Düngemittel viele Vorteile. Die Möglichkeiten reichen von unterschiedlichsten Untersuchungen von Klimaszenarien bis zu Vergleichen diverser Teichgestaltungen.

So können die zur Auswahl stehenden Varianten zukünftiger Bauvorhaben frühzeitig analysiert und bewertet werden, um die geeignetste Lösung zu wählen und diese noch in der Planungsphase weiter zu optimieren. Dies betrifft beispielsweise Maßnahmen zur Erhöhung der Durchmischung, zur Veränderung der Zusammensetzung oder auch Studien zu anderen in Frage kommenden Standorten.

Diese drei Beispiele verdeutlichen, wie Simulationen helfen, die Effizienz der Produktion bei K+S zu erhöhen, um den Aufwand, die Herstellungszeiten und -kosten zu minimieren.


K+S Aktiengesellschaft
Thomas Radtke
thomas.radtke@k-plus-s.com
www.kpluss.com

© Bilder: K+S Aktiengesellschaft

Kontakt CADFEM

Business Development

Erstveröffentlichung dieses Artikels

Dieser Artikel wurde als erstes in der Zeitschrift GeoResources (3-2020) veröffentlicht.
Radtke, T.; Ziegler, L. (2020): Strömungssimulationen für mehr Effizienz in der Kali- und Salzindustrie. GeoResources Zeitschrift (3-2020), S. 58–60.

Online: www.georesources.net/download/GeoResources-Zeitschrift-3-2020.pdf.

Autoren und Quellenverzeichnis

Dr. Thomas Radtke ist Senior Scientist im K+S Analytik- und Forschungszentrum, Unterbreizbach, Deutschland | Kontakt: thomas.radtke@k-plus-s.com
Lucas Ziegler, M.Eng., ist Berechnungsingenieur Professional Development bei der CADFEM GmbH, Grafing b. München, Deutschland | Kontakt: lziegler@cadfem.de

[1] Elfferding, M.; Grommas, J.; Stax, R. (2015): Das K+S Legacy Projekt – Solution Mining auf Kali in Kanada. In: GeoResources Zeitschrift (4-2015), S. 36–46. Online:  www.georesources.net/download/GeoResources-Zeitschrift-4-2015.pdf


[2] Elfferding, M.; Grommas, J.; Stax, R. (2016): The K+S Legacy Project – solution mining for potash in Canada. GeoResources Journal (1-2016), pp. 42–51. Online: www.georesources.net/download/GeoResources-Journal-1-2016.pdf


 


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