Auslegung von Absorptionskolonnen Neue Problemstellungen fr ...

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Chemie Ingenieur Technik 2.4 Scale-up-Fähigkeit des Berechnungsmodells Bei der Herleitung von Modellansätzen zur Beschreibung von Packungskolonnen wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass sich die Fluide gleichmäßig über den Kolonnenquerschnitt verteilen. Nichtsdestotrotz wird von verschiedenen Autoren von einem Einfluss des Kolonnendurchmessers berichtet, der dem Anteil der Wandeffekte bezogen auf die Gesamtfläche zugeschrieben wird [16]. Abb. 3 zeigt exemplarisch den Einfluss des Kolonnendurchmessers auf den Druckverlust und den Flüssigkeits- Hold-up. Während beim Druckverlust kein bzw. nur im Bereich hoher Gasbelastungen ein geringer Unterschied zwischen den Messungen in einer Kolonne mit einem Innendurchmesser von 0,288 m bzw. 0,440 m erfasst wurde, kann beim Flüssigkeits-Hold-up ein Unterschied von rund 4 – 8 % (absolut) beobachtet werden. Zur Beschreibung des Einflusses des Maßstabes bzw. des Durchmessers wird von verschiedenen Autoren die Einführung eines zusätzlichen Parameters vorgeschlagen. So wird beispielsweise in [6] bzw. [14] der Wandfaktor k definiert (vgl. Gln. (10) und (11)) und in der Berechnung des Druckverlustes berücksichtigt. 1 2 ˆ 1 ‡ k 3 1 4 ˆ 1 ‡ k adS 1 dP 1 e dS (10) (11) Dabei ist dS ist der Kolonnendurchmesser und dP ist der Füllkörperdurchmesser. Die Einführung eines Wandfaktors Abbildung 3. Einfluss des Kolonnendurchmessers auf Druckverlust und Flüssigkeits-Hold-up für das Beispiel einer Füllkörperpackung. Packungskolonnen 1029 führt zu einer verbesserten Beschreibung der packungsspezifischen Fluiddynamik in unterschiedlichen Kolonnendurchmessern. Der Einfluss auf das Betriebsverhalten und damit des Stofftransports kann dadurch jedoch nicht exakt in Abhängigkeit vom Wandeffekt beschrieben werden. 3 Wand- und Kernbereiche in Absorptionskolonnen Ein anderer Ansatz zur Beschreibung der Wandeinflüsse stellt die Unterteilung der Kolonne in einen Wand- und einen Kernbereich im Innern der Kolonne dar. Hintergrund ist dabei die Überlegung, dass der Wandbereich zwar abhängig vom Kolonnendurchmesser einen unterschiedlich großen Anteil am Gesamtvolumen der Kolonne hat, dass aber im Innern der Kolonne die Hydrodynamik unabhängig vom Kolonnendurchmesser ist. Wenn es also mithilfe geeigneter Messmethoden gelingt, die jeweiligen Anteile von Wand- und Kernbereich zu bestimmen, würde eine Messung in einem relativ kleinen Maßstab von z. B. 0,288 m ausreichen, um die Hydrodynamik des Kernbereichs zu charakterisieren und damit ein Scale-up auf größere Durchmesser durchzuführen. Je größer der Innendurchmesser der verwendeten Kolonne für die experimentellen Untersuchungen zur Charakterisierung neuartiger Füllkörper und Packungen, desto geringer ist der Einfluss des Wandbereichs. Ziel dieses neuen Konzepts ist es jedoch, eine Kolonne mit möglichst kleinem Innendurchmesser zu verwenden, um eine Reduzierung der Kosten der experimentellen Untersuchungen zu erreichen. Wesentliche Voraussetzung für die Validierung dieses Konzepts ist eine möglichst nicht- bzw. gering-invasive und gleichzeitig kostengünstige Messmethode. Die Aufklärung der Fluiddynamik einer Kolonne wurde bereits mit komplexen Messprinzipien wie der Röntgentomographie untersucht [18]. Ziel der Autoren dieses Beitrages ist es jedoch, eine kostengünstigere und weniger aufwendige Messmethodik einzusetzen, die bei allen experimentellen Untersuchungen neuentwickelter Füllkörper und Packungen integriert werden kann. Im Rahmen eigener Untersuchungen wurden deshalb eine Sammlermethode und ein in Packungskolonnen bisher noch nicht eingesetzter Gittersensor zur Bestimmung des an der Innenwand herunter strömenden Flüssigkeitsanteils verglichen. Chemie Ingenieur Technik 2011, 83, No. 7, 1026–1035 © 2011 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.cit-journal.com
1030 M. Grünewald et al. 3.1 Bestimmung des Wandflüssigkeitsanteils mithilfe eines Flüssigkeitssammlers Die Sammlung herunter strömender Flüssigkeit in unterschiedlichen Bereichen einer Packungskolonne ist eine bereits vielfach eingesetzte Methode [19, 20] zur Bestimmung der Ungleichverteilung der Flüssigkeitsströme über den Querschnitt. Der Nachteil einer solchen Vorgehensweise ist jedoch, dass die unterhalb der Packung installierte Vorrichtung zur Sammlung der Flüssigkeit den einströmenden Gasstrom entscheidend beeinflusst und damit nur bedingt repräsentative Ergebnisse bzw. keine Ergebnisse ohne gegenströmendes Gas erzielt werden können. Zur Bestimmung des an der Wand herunter strömenden Flüssigkeitsanteils wurde der in Abb. 4 dargestellte Ringsammler installiert. Mithilfe einer Ablaufrinne wird die Wandflüssigkeit in einen separaten Ablauf geleitet. Die Strömung der Phasen im Kernbereich bleibt davon unbeeinflusst. Auf diese Weise konnte ein Kompromiss zwischen möglichst einfacher Handhabung und gleichzeitig geringer Beeinflussung der Gasströmung gefunden werden. Druckverlustmessungen ergaben einen Unterschied von weniger als 0,2 mbar m –1 im Vergleich zu Kolonnen ohne Ringsammler. Die Ergebnisse in Abb. 4 belegen, dass rund 20 % der gesamten Flüssigkeit in einer Kolonne mit einem Innendurchmesser von 0,288 m bei Gasbelastungsfaktoren unterhalb des Staupunktes entlang der Kolonnenwand strömen und damit nur wenig in Wechselwirkung mit dem gegenströmenden Gas treten. Im Bereich des Staupunktes verringert sich dagegen dieser Anteil auf knapp über 10 %, steigt aber mit größeren Gasgeschwindigkeiten auf Werte von 30 – 40 % nahe dem Flutpunkt an. 3.2 Bestimmung des Wandflüssigkeitsanteils mithilfe eines gering-invasiven Gittersensors Als Alternative zur Flüssigkeitssammlermethode wurde ein Gittersensor – entwickelt und hergestellt von der Arbeitsgruppe Hampel am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf – verwendet [21]. Die Bestimmung der Phasenanteile mithilfe des bereits in verschiedenen Apparaten implementierten Gittersensors [22 – 26] beruht dabei auf einem kapazitiven Messprinzip [27, 28]. Der Gittersensor selbst besteht aus zwei Ebenen mit jeweils 32 parallel innerhalb einer Ebene gespannten Drähten, wobei die Drähte der jeweiligen Ebene orthogonal zu denen der anderen Ebene angeordnet sind. Dadurch ergeben sich 840 Kreuzungspunkte mit einem vertikalen Abstand von jeweils 1,5 mm innerhalb der Kolonne. Die Messfrequenz beträgt dabei 400 Hz, so dass ein zeitlich hochaufgelöstes Messsignal an jedem Kreuzungspunkt abgegriffen werden kann. Abb. 5 zeigt schematisch den experimentellen Aufbau sowie die Positionierung des Gittersensors unterhalb der installierten Packung. Alternativ kann der Gittersensor auch innerhalb einer Packung eingesetzt werden, allerdings muss dann zum Schutz der Drähte ober- und unterhalb ein Tragegitter installiert werden, um eine Berührung der Drähte mit den Füllkörpern bzw. der strukturierten Packungen zu vermeiden. Auf diese Weise entsteht innerhalb der Packung eine kurze Unterbrechung der Packungsstruktur, so dass in diesem Fall eine Beeinflussung der Strömung der beiden Phasen nicht ausgeschlossen werden kann. In Abb. 6 sind exemplarisch mit dem installierten Gittersensor gemessene Ergebnisse für zwei unterschiedliche Berieselungsdichten dargestellt. Aufgetragen ist der lokale Flüssigkeits-Hold-up für unterschiedliche Gasbelastungs- Abbildung 4. Experimentell bestimmter Wandflüssigkeitsanteil in Abhängigkeit von der Berieselungsdichte für einen Pall- Ring 25 mm aus Metall mit einem Ringsammler bei einem Innendurchmesser von 0,288 m. www.cit-journal.com © 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chemie Ingenieur Technik 2011, 83, No. 7, 1026–1035
Seite 1 und 2: 1026 M. Grünewald et al. Forschung
Seite 3: 1028 M. Grünewald et al. Porositä
Seite 7 und 8: 1032 M. Grünewald et al. gen mit z
Seite 9 und 10: 1034 M. Grünewald et al. 5 Schluss

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