Auslegung von Absorptionskolonnen Neue Problemstellungen fr ...

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Chemie Ingenieur Technik Abbildung 5. Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus und Foto des zur Bestimmung der Flüssigkeitsverteilung installierten Gittersensors (B1 – B3 = Behälter, G = Radialventilator, K1, K2 = Kolonnen, P1 – P3 = Kreiselpumpen, T1, T2 = Tropfenabscheider, V1, V2 = Ventile, VE = vollentionisiertes Wasser). faktoren FV und eine Berieselungsdichte von uL = 10 bzw. 40 m 3 m –2 h –1 . Der lokale Wert ergibt sich aus der Bilanzierung konzentrischer, jeweils 9 mm breiter, von innen (1) nach außen (16) nummerierter Kreisringflächen, wobei der dargestellte Wert als Mittelwert aus den über einen Zeitraum von 10 s gemessenen Daten (bei 400 Hz: 4000 Messungen) berechnet wird. Aus Abb. 6 lässt sich deutlich das erwartete Verteilungsprofil erkennen: Während über weite Bereiche der Kolon- Flüssigkeitsholdup [%] 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% uL= 10; Fv= 0,74 uL= 10; Fv= 1,45 uL= 10; Fv= 1,95 uL= 10; Fv= 2,44 uL= 10; Fv= 2,95 uL= 10; Fv= 3,55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516 Bilanzring (1: innen; 16: außen) Flüssigkeitsholdup [%] 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% nen ein nahezu konstanter lokaler Flüssigkeits-Hold-up zu beobachten ist, wird für den äußeren Bilanzring (16) ein höherer Wert gemessen. Mit ansteigender Gasleerrohrgeschwindigkeit (~ FV) wird ein Anstieg des äußeren Wertes gemessen. Das Niveau des äußeren Hold-ups stimmt gut mit den mithilfe einer Sammlermethode gemessenen Werte überein. Auch der Einfluss der Berieselungsdichte ist signifikant. Der Hold-up steigt mit größerer Berieselungsdichte an. Analoge Messungen wurden für unterschiedliche Füllkörpergrößen und Formen durchgeführt. In allen Fällen ergeben sich ähnliche Verläufe und Zusammenhänge, so dass der Einsatz des Gittersensors für die Messung der Flüssigkeitsverteilung innerhalb einer Kolonne als erfolgreich gewertet werden kann. Zudem sollte in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, dass eine Aufsummierung der lokalen Flüssigkeitsanteile zu einem mittleren Flüssigkeits-Hold-up im Vergleich zu Literaturdaten zu ähnlichen Werten bei kleinen Berieselungsdichten führt. Im Fall von größeren Berieselungsdichten und hohen Gasbelastungsfaktoren ist dagegen eine signifikante Abweichung zu beobachten. Dabei muss berücksichtigt werden, dass es sich bei der berechneten Größe um einen auf die Querschnittsfläche bezogenen Flüssigkeitsinhalt an einer diskreten Position in der Packung handelt, während die Literaturdaten Werte auf das gesamte Volumen bezogen sind. Eine weiterführende Betrachtung zur Auswertung hinsichtlich der querschnittsgemittelten Größen wird des- uL= 40; Fv= 0,74 uL= 40; Fv= 1,47 uL= 40; Fv= 1,95 uL= 40; Fv= 2,33 uL= 40; Fv= 2,66 uL= 40; Fv= 2,9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516 Bilanzring (1: innen; 16: außen) Abbildung 6. Mittlerer (links) und lokaler (rechts) Flüssigkeits-Hold-up für unterschiedliche Gasbelastungsfaktoren F V und Berieselungsdichten u L. Packungskolonnen 1031 halb derzeit durchgeführt. 4 Messung der charakterisierendenModellparameter des Stofftransportes Das Stofftransportvermögen neu entwickelter Füllkörper bzw. strukturierter Packungen können, wie oben diskutiert, nicht vorausberechnet werden, so dass die Basis für die Auslegung von Absorptionskolonnen auch heutzutage noch experimentelle Untersuchungen sind. Zur Bestimmung der volumetrischen Stoffaustauschkoeffizienten (b Va Ph, b La Ph) werden experimentelle Untersuchun- Chemie Ingenieur Technik 2011, 83, No. 7, 1026–1035 © 2011 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.cit-journal.com
1032 M. Grünewald et al. gen mit zwei verschiedenen Stoffsystemen, für die Bestimmung der Stoffüberganskoeffizienten und der effektiven Phasengrenzfläche (bV, bL, aPh) drei verschiedene Stoffsysteme benötigt. Die Stoffsysteme müssen sich dabei hinsichtlich des dominierenden Stofftransportwiderstandes unterscheiden, wie dies von Hoffmann et al. [29] bereits ausführlich beschrieben wurde (vgl. Tab. 1). Die dargestellten Ergebnisse zur Charakterisierung der Fluiddynamik wurden mit dem Stoffsystem Wasser/Luft durchgeführt, die stofftransportspezifischen Modellparameter bVaPh, bLaPh bzw. HTUOV, HTUOL wurden für die Stoffsysteme NH3-Luft/Wasser und CO2-Wasser/ Luft ermittelt. Neben der Stoffsystemauswahl ist die Genauigkeit der Messergebnisse abhängig von der experimentellen Vorgehensweise ein oft diskutierter Punkt. Für die in Abb. 5 schematisch dargestellte Versuchsanlage mit einem Innendurchmesser der Kolonne von 0,288 m wurde deshalb beispielhaft eine Berechnung der Fortpflanzung der Messunsicherheiten nach DIN 1319 [30] durchgeführt. Dabei werden mit den Messunsicherheiten der Messgrößen die Messunsicherheiten der Ergebnisgrößen der Auswertung nach dem Gauss-Verfahren berechnet. Die Messunsicherheiten der Messgrößen, die dafür als Basis gewählt wurden, sind keine theoretischen Annahmen, Literaturwerte oder Herstellerangaben, sondern praktische Erfahrungswerte aus Reproduktionsmessungen. Diese Erfahrungswerte setzen sich jeweils zusammen aus der Summe der Messunsicherheiten der Analysegeräte und den Er- Abbildung 7. Darstellung der über die Gasbelastung gemittelten, relativen Messunsicherheiten von HTUOL der CO2-Desorption und HTU OV der NH 3-Absorption in Abhängigkeit von der Flüssigkeitsbelastung. Tabelle 1. Wässrige Stoffsysteme zur Charakterisierung des Stofftransportvermögens [29]. Gasphase Flüssigphase Bindungsmechanismus effektiver Stofftransportwiderstand abhängig von aPh und: O2-Luft Wasser physikalische Absorption bV bL CO 2 Wasser physikalische Absorption – – CO2-Luft Wasser physikalische Absorption bV bL CO2-Luft Natronlauge chemische Absorption bV – Luft CO2/Wasser physikalisches Strippen – bL NH 3 Wasser physikalische Absorption – b L NH3-Luft Wasser physikalische Absorption bV bL NH3-Luft Schwefelsäure chemische Absorption bV – SO 2-Luft Wasser physikalische Absorption b V b L SO 2-Luft Natronlauge chemische Absorption b V – fahrungswerten für die auftretenden Messunsicherheiten durch die zufälligen Fehler bei der manuellen Ablesung der Messgeräte und der nasschemischen Analyse der Flüssigphase per Titration sowie der auftretenden Schwankungen der jeweiligen Messgrößen während der Messung. Die Ergebnisgrößen der Auswertung der Stofftransportuntersuchungen sind der HTUOL-Wert für die CO2-Desorption und der HTUOV-Wert für die NH3-Absorption. Diese Werte sind abhängig von den Konzentrationen der jeweiligen Übergangskomponente im Flüssigkeitseingang und -ausgang und im Gaseingang und -ausgang. Abb. 7 zeigt die über die Gasbelastung gemittelten, relativen Messunsicherheiten der HTU-Werte der CO 2-Desorption und der NH 3- Absorption in Abhängigkeit von der spezifischen Flüssigkeitsbelastung u L. 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 und 4: 1028 M. Grünewald et al. Porositä
Seite 5: 1030 M. Grünewald et al. 3.1 Besti
Seite 9 und 10: 1034 M. Grünewald et al. 5 Schluss

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