Experimentelle und theoretische Untersuchung der Fluiddynamik und des Stofftrennverhaltens von Anstaupackungen
Hintergrund:
Anstaupackungen können als trennwirksame Einbauten in Trennkolonnen eingesetzt werden. Sie dienen wie Füllkörperschüttungen oder konventionelle strukturierte Packungen dazu, eine möglichst große Kontaktfläche zwischen der gasförmigen und der flüssigen Phase herzustellen. Anstaupackungen bestehen aus Packungslagen zweier geometrischer Oberflächen, welche abwechselnd axial angeordnet werden. Die Kombination der unterschiedlichen Packungssegmente führt zur Ausbildung einer Blasenströmung in der Anstaulage. Die verglichen mit konventionellen Packungskolonnen starken Wechselwirkungen der Phasen in der Blasenströmung und der darüberliegenden Sprudelschicht führen zu einer Erhöhung der Trenneffizienz des Apparates und damit zu Energieeinsparungen im Prozess.
Schematische Abbildung einer Kolonne und der bei Nutzung der Anstaupackung auftretenden Strömungsregime
Zielstellung:
In der ersten Förderperiode wurde ein Rate-Based-Modellierungsansatz entwickelt, der auf der experimentellen Charakterisierung der segmentspezifischen Fluiddynamik mittels schneller Röntgentomographie basiert und mit CO2-Absorptionsmessungen validiert wurde.
In der zweiten Förderperiode zielt das Vorhaben auf die Weiterentwicklung des Modells zur Anwendung für Rektifikationen ab und soll damit die Entwicklung des Gesamtmodells für Anstaupackungen finalisieren. Dies beinhaltet die Berücksichtigung regimespezifischer Dispersionskoeffizienten, Flüssigphasenverweilzeiten und flüssigkeitsseitiger Stoffübergangskoeffizienten, die phänomenologische Beschreibung des Packungsflutens zur korrekten Bestimmung der Stau- und Flutpunkte sowie die Erweiterung der fluiddynamischen Korrelationen zur Berücksichtigung von Stoffeigenschaftsänderungen. Zur Gesamtbewertung von Anstaupackungen im Vergleich zu konventionellen Packungseinbauten sollen mit dem finalisierten Modell neben Prozessen zur chemischen Absorption zusätzlich auch Rektifikationsprozesse theoretisch untersucht werden.
Methoden und Ergebnisse:
Die an der TU Dresden geplanten Untersuchungen zur Fluiddynamik erfolgen in einer Kolonne (Ø100 mm) mit der Packungskombination B1-750/B1-250, die im Gegenstrom zunächst für Modell-Stoffsysteme betrieben wird.
Zur umfangreichen Charakterisierung der Strömungsvorgänge unter Änderung der Stoffeigenschaften (Viskosität und Oberflächenspannung) kommen im Wesentlichen zwei unabhängige Messverfahren zum Einsatz: Die ultraschnelle Röntgentomographie bietet als nichtinvasives Messverfahren die Möglichkeit, sowohl zeitlich als auch örtlich hochaufgelöst Phasenanteile und Phasengrenzflächen abzubilden. Darüber hinaus werden mittels hochpräziser Drucksensoren entlang der Kolonne axiale Druckverläufe aufgezeichnet, mit denen Rückschlüsse auf die Übergangsbereiche der sich ausprägenden Strömungskonfigurationen gezogen werden können. Aus diesen Messverfahren werden die hydrodynamischen Parameter Flüssigkeitsinhalt, Gas-Flüssigkeits-Phasengrenzfläche, Druckverlust und Sprudelschichthöhe bestimmt.
Zur phänomenologischen Beschreibung des Packungsflutens bzw. der Stau- und Flutpunkte kommen die schnelle Röntgentomographie und ein makroskopisches Modell auf Basis einer Stabilitätsanalyse der volumengemittelten Navier-Stockes-Gleichung zum Einsatz. Anhand der tomographisch ermittelten Staupunkte wird die Eignung des Modells validiert.
Zur Entwicklung von Korrelationen für die Anstaupackung werden die Verweilzeiten und die Dispersionskoeffizienten der einzelnen Anstaupackungsbereiche zuerst unter Berücksichtigung der Rückvermischungseffekte ermittelt. Dies wird anhand der axialen Ausbereitung eines Tracers zwischen zwei Messstellen (Abstand L) für die einzelnen Bereiche bestimmt.