Einfluss von Randspalt und Randabweiser auf die Fluiddynamik einer Messzelle zur HETP‐Bestimmung

Der Scale-up strukturierter Packungskolonnen ist ein zeit- und kostenintensiver Prozess. Um den Aufwand zur Ermittlung packungsspezifischer Kennzahlen zu reduzieren, wurde eine Messzelle für strukturierte Packungen entwickelt. Diese ermöglicht es charakteristische Bestandteile einer Packungskolonne im Labor-Maßstab abzubilden. Im Rahmen dieses Beitrages wird der Einfluss bei üblichen Randabweiser des Abstands zwischen Wand Packung auf die Fluiddynamik in untersucht. The scale-up of columns equipped with structured packings is a time and cost intensive process. In order to improve efficiency, measurement cell for has been developed. This makes it possible investigate characteristic sections packed columns, such as bulk wall area on small scale. study shows the influence commonly installed wipers distance between packing fluid dynamics measuring cell. Die Trennung von fluiden Stoffgemischen mittels findet vielen Bereichen Verfahrenstechnik Anwendungen. Mit strukturierten ausgestattete Kolonnen sind aufgrund hoher Trennleistung vergleichsweise geringem Druckverlust Absorptions-, Desorptions- Rektifikationsprozessen weit verbreitet. Stand Technik Auslegung es, Erkenntnisse über das Stoffsystem erlangen Machbarkeitsstudie durchzuführen. Dies geschieht entweder entsprechender Simulationsprogramme oder durch Versuche Labormaßstab. Bei gegebener Machbarkeit erfolgt Auswahl trennwirksamen Einbauten sowie deren Höhe anhand experimentellen Daten Forschungsinstituten, etablierten empirischen semi-empirischen Korrelationen bestehenden Anlagen. Falls Eigenschaften Stoffsystems stark Standardtestsystemen, Ergebnisse auch entsprechenden Stofftransportkorrelationen zugeordnet werden können, abweichen keine Kolonnendaten vorhanden sind, Untersuchungen Labor- Technikums-Maßstab notwendig. Hierbei Ergebnisse, innerhalb dieser generiert wurden, mit tabellierten aus jeweils passenden standardisierten Referenzsystemen verglichen 1. Aus Unterschieden anschließend Scale-up-Faktoren abgeleitet, oftmals zusätzlichen Sicherheitszuschlägen, bspw. Messungenauigkeiten, einhergehen. sich verwendeten Industriekolonne zum benutzen unterscheiden, zusätzliche Sicherheitszuschläge nötig. 2-5 Ein weiterer Einfluss, beim berücksichtigt muss, Ungleichverteilung Flüssigkeit Gases, als Maldistribution bezeichnet wird. kann Kolonne um Faktor zwei bis drei verringern 6. Sie ungleichmäßige Anfangsverteilung Länge Packungsbetts, z. B. Unterbrechungen Packungslagen, entstehen. Entlang Packungsbetts kommt dabei Wandfluss Bachbildung, denen regelmäßige Wiederverteilung entgegengewirkt muss. 7 an Kolonnenwand auftretende Randgängigkeit führt schlechtesten Fall dazu, dass keinerlei Rückvermischung Kern gibt. Damit steht Stofftransport geringere Oberfläche Verfügung, ist. Technikums-, Industrie- Pilotmaßstab deswegen üblich, installieren, wieder zurückzuleiten. geschilderten Scale-up-Prozedur neben bereits erwähnten Sicherheitsaufschlägen erhöhter Zeitaufwand erforderlich, da einerseits benötigten Mengen erst erzeugt andererseits Experimente unterschiedlichen Maßstäben durchgeführt müssen. Dagegen weitere Verkleinerung benutzten Labor-Kolonnen nicht sinnvoll, weil damit Verhältnis Mantelfläche Packungsvolumen erhöht Randeffekte deutlich vergrößern. 2, 3 einem möglichst geringen Chemikalieneinsatz Kolonnenmaßstab, kleinen nur möglich, wenn Verfälschungen Wandflüsse minimiert werden. Schon früh wurden einfache Messzellenaufbauten genutzt, besseres Verständnis Phänomenologie Strömung Packung, aber Randes erhalten. Stoter et al. 8 nutzte verschiedene Packungstypen mehrere Aufbauten, Flüssigkeitsverteilung ohne Gasgegenstrom eines Flüssigkeitssammlers bestimmen können. anderer Aufbau sah vor, Geschwindigkeit Gases allerdings Gegenstrom aufzugeben. letzterem zusätzlich Konfigurationen einen Randspalt, einfachen Randspalt zusätzlichem getestet. konnte insgesamt gezeigt werden, dazu führt, zurück fließt, sondern Blockieren Randspalts Gas drückt. Das Installieren Randabweisers erfüllt Zweck, leiten. beobachteten Strömungsmorphologien leiteten Zellenmodell ab, wiedergeben soll. Auf Basis Forschung entwickelten Keller 9 (MZ), vier unterschiedliche untersucht wurden. gewonnen Ergebnissen Verteilungsfaktoren diagonalen vertikalen Verteilungsmechanismus abgeleitet. Grundlage Modells Durchmesser 0,9 m Packungshöhe 4,016 vorhergesagt miteinander verglichen. Für bestimmte Bereiche Übereinstimmung Modell festgestellt Unterschiede fehlende Berücksichtigung Lücken implementierten zurückgeführt. An Stelle greift Autoren früheren Arbeiten vorgeschlagene Miniaturmesszelle 10. bzw. Miniplant-Maßstab Gegenstrombetrieb DFG-Projekts (GR-2026/11-1 RE-1705/13-1) miniaturisierte rechteckigem Querschnitt entwickelt, Kernbereich wiedergibt. ersten Holdup Korrelationen, wie Mackowiak 11 Billet Schultes 12, abgebildet guter Technikumskolonne 13. Abweichungen können hier (RA) zurückgeführt Während einstellbarer (RS) ist, – konstruktionsbedingt immer Randspalte vorhanden. Innerhalb verbaut, Gerade Technikumskolonnen DK ≲ 0,5 1 signifikanter integral aufgenommene Größen Fluiddynamik, Druckverlust, erkennen. 14 soll gerade dort Anwendung finden, wo Standardstoffsystemen Übertragung Messungen realen Systemen Referenzmessungen schwierig Abb. kurz- langfristige Auslegungsstrategie derzeit Auslegungsmethodik abweichende Realstoffsysteme gegenübergestellt. Allen Auslegungsstrategien gemein, technische Spezifikationen, Feedzusammensetzung, Feedströme, Reinheiten Kopf- Sumpfströme Anzahl theoretisch notwendigen Trennstufen, ermittelt Prozesssimulationen Labor Kombination beidem. Ausgehend diesen Dimensionierung Produktionskolonne derzeitigen Auslegungsmethode Realstoffsystems Laborkolonnen durchgeführt. Analogien Testsystemen Technikumskolonne. Hier vermehrt auftretenden Wandeffekte Labor-Kolonne, Unterschied Real- Standardsystems ausschlaggebend Sicherheitszuschläge. exakte basiert vor allem Expertenwissen vergleichbare existierende Industriekolonnen abgeschätzt. 4 Zur letztendlichen Bestimmung generierten Eingangsgrößen Rate-based-Modell Gleichgewichts-Modell überführt. Murphree-Wirkungsgrad Nichtidealitäten besser berücksichtigen, Stoffübergangskoeffizienten benötigt. Rate-based-Modelle hierbei eher Mehrkomponentensysteme eingesetzt Systeme, Reaktionen 15 Entwicklungsstufe dient überwiegend Holdup, Stofftransports (HTUOL) Standardstoffsystemen. dem Standardstoffsystem Realstoffsystem analog, rechteckig langen Seiten schirmt Silikonabformung mögliche Bypass-Strömung so kurzen Randgängikeit auftritt. Aufgrund Designs davon auszugehen, geringeren ermittelten Parameter haben, Laborkolonne hohem Mantel- Packungsverhältnis Produktionsmaßstab 3D-Rate-based-Zellenmodells erfolgen. Dieses nach van Holt 16 Füllkörperkolonnen validiert 17. Ziel Einsatzes alle Modellierung darunter Versuchen am generieren. Dadurch Unsicherheiten, vom anfallen, eliminiert. Neben andere Bereiche, Flüssigkeitsverteilers Packungsstoßes, umgesetzt. Alle diese Effekte haben ebenfalls Gas- fluiddynamischen 18-20 letztendlich Trennleistung. Zusätzlich Reduzierung Unsicherheiten Verzicht Transfers Standard- Realsysteme langfristig verzichtet Annahme treffen fluiddynamische Parameter, Veröffentlichung genauer Am Lehrstuhl Fluidverfahrenstechnik Ruhr-Universität Bochum existiert Untersuchung Packungsblechen. generelle 2 Leuner 13 vorgestellt. Als flüssige Phase 1,2-Propandiol (Wittig Umweltchemie, > 99,7 %) Einsatz, seine geringe Oberflächenspannung (σL = 0,04 N m−1 21 °C) gleichzeitig Viskosität (ηL 0,053 Pa s−1 (vgl. 21) auszeichnet vollständigen Benetzung Packungsoberfläche führt. Gleichzeitig 3000 Tropfstellen pro m2, was Aufgabestelle jeden Packungskanal entspricht, Minimierung Endeffekten 22 gleichmäßige Eingangsverteilung erreicht. Umgebungsluft angesaugt Gasverteiler, Hutverteiler-Prinzip 23 nachempfunden geleitet. Lagen Montz® Pak B1-250.45 Edelstahl 0,3 breit 0,2 hoch sind. Abstandsplatten variabel einstellbar tritt auf, passgenaue abgeschirmt 3, 6 mm verändert direkte Kontakt Packungsbleche weiter untersucht, Aufstauen Kanäle beobachtet wurde. Es also grundsätzlich effizienten Betrieb vorausgesetzt Randbereich installiert, gleichen angebracht handelsüblichen B1. Anbringen Randabweisern Randabstand Millimetern bedingt Abstand realisiert Innendurchmesser 288 Packungsbett, bestehend zehn Typs B1-250.45, verbaut. beträgt Packungslage je installiert. Einbau Herstellerangabe 90° versetzten Packungselementen. Eine detailliertere Abbildung Brinkmann 24. Flächenverhältnis Randbereichs Gesamtquerschnittsfläche entspricht ca. % Randspalt. Messungen, sowohl Messzelle, Mal wiederholt. vorangegangenen großen Flüssigkeitsbelastungsbereich Werten DN300-Technikumskolonne vollständige Charakterisierung enthält Druckverlust. Vergleich Werte trockenen spezifischen Druckverlusts Randspalt-Konfigurationen dargestellt. Sowohl weisen typischen Verlauf spezifischem Fv-Faktor auf. kleine (3 mm) ergibt vergleichbarer Druckverluste große Fv-Faktoren verstärkt doppellogarithmische Auftragung Eindruck, wobei eins nah beieinander liegen. systematische Abweichung, abzüglich Messfehlers, durchschnittlich 30 hingegen gegenüber entstehende freie 64 größer erhöhte sorgt dafür, entlang Spalts, anstatt strömt. Auffällig dass, obwohl Packungsstöße verbaut Druckverlusten freien Querschnittsverhältnisse erkennbar Da Betthöhen kein Cai 25) liegt Schluss nahe, Verwirbelungen Packungsstößen zumindest signifikant beeinflussen. beurteilen Vergleichbarkeit Messergebnisse erhöhen, eingebaut. zeigt Randspalte. dargestellten zeigen erwartenden Verlauf. Weiterhin unter Fehlerbalken, signifikanten bildet Konfiguration größten Ausnahme. noch sehen, doppellogarithmischen schwerer Verengung Querschnitts Randabweiser, unterhalb Packungselements, hat Folge. 26. Unterschied, entsteht, rechnerisch jedoch Industriemaßstab Packungs- Randabweisergeometrien gibt an, Umrechnung Kolonnendurchmesser Querschnittsfläche möglich verschwindet ab ≳ m. Genauer gesagt solchen Durchmessern mehr erkennbar, Flächenanteil Rands gering Bereits 20 untersuchten Gasströmung. gewünschten Eigenschaft zurückzuleiten, zeigten sie, geführt benetzte größeren Widerstand weswegen Somit verhindern herabfließende Flüssigkeit, Gases. Interaktionen Randspalt- Randabweiserkonfigurationen verstehen 5 Flüssigkeitsbelastungen uL m3m−3h−1 40 Holdups berieselten aufgetragen. abgebildeten Abhängigkeiten Fv-Faktor, rundem bekannt Stau- Flutpunkt Druckverlustdiagrammen gut Unterhalb Staupunkts Interaktion statt, Holdup-Kurve Waagerechte bildet. Oberhalb beginnt Flüssigphase Querschnittsverengung Gas. steigen erreicht aufrechterhalten Phaseninversion ausgeprägtem Flüssigkeitsmitriss 27. konnten Parallelen 28. Flüssigkeitsbelastung geringsten Rand signifikante Abweichung anderen Konfigurationen, wohingegen Staupunkt Verläufe gleich Unterscheidung Randkonfigurationen erkennbar. Druckverlustdiagramm gesamten gleichem hin kleineren verschoben. nimmt generell größere Flüssigkeitsmenge dadurch erfährt Durchströmen Widerstand. schließlich bevorzugt strömt, womit Randwiderstands steigt. vorhandenen sammelt, vergrößert lokales Fluten verschiebt. Rückschlüsse Verhalten Standardabweichungen eindeutige Beurteilung zulassen. beobachtende beide oberhalb ersichtlich. Deswegen ausgegangen größte Anteil darin enthaltende zustande Randbereich. gezeigt, mithilfe bestimmt kann, Zwickelstellen entsteht. Nur zweiphasigen stationären sich, steigender Einflüsse Durch entgegenströmende Gasphase strömt Messzellenwand. höheren Veränderung Randkonfiguration größerer Flüssigkeitsbelastungen. legen höhere Sensitivität Veränderungen bezüglich Folge hat. begründet erhöhten Strömungswiderstand wiederum Bypass-Strömungen begünstigt. Quantifizierung wäre Vermessung Gasmaldistribution messtechnisch schwer durchführbar. indirekte integralen möglich. gleichbleibender müsste verringerten widerspiegeln. Stofftransportkennzahlen Konzept ohnehin vorgesehen gleichzeitigen somit quantifizierbar. Open Access organisiert Projekt DEAL. dynamische Temperatur Dichte