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PROGRAMM,TEILNEHMERLISTE UND KURZFASSUNGEN
16. – 17. März 2016Mercure Hotel Garmisch Partenkirchen
Jahrestreffen der ProcessNet Fachgruppe Fluidverfahrenstechnikwww.processnet.org/fvt2016
© M
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vortragsprogramm
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Dienstag, 15. März 2016
18:00 Beiratssitzung der Fachgruppe Fluidverfahrenstechnik
19:30 Vorabendliches Beisammensein im Restaurant des Mercure Hotels Garmisch Partenkirchen (Selbstzahler, Anmeldung erforderlich)
© Mercure Hotel Garmisch-Partenkirchen
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vortragsprogramm
Mittwoch, 16. März 2016
08:30 Begrüßung M. Grünewald, Ruhr-Universität Bochum/D
INNOVATIVE APPARATEKONZEPTE
08:45 35 Jahre Rotating Packed Beds und doch am Anfang – Wo stehen wir? K. Neumann, M. Skiborowski, A. Górak, TU Dortmund/D
09:15 Die Bodentrennwandkolonne – kein Buch mit sieben Siegeln B. Metzen, BASF SE, Ludwigshafen/D
09:45 Posterkurzvorträge (je 3 Min.)
10:45 Kaffeepause & Posterdiskussion
TRENNWANDKOLONNE
11:15 Design, Anwendungen und Erfahrungen mit Trennwandkolonnen bei Lonza D. Staak, Center of Excellence, Lonza AG, Visp/CH
11:45 Optimierung von Trennwandkolonnen in der BASF R. Benfer, BASF SE, Ludwigshafen/D
12:15 Enzymkatalysierte reaktive Trennwandkolonne: Experimenteller Betrieb im Technikumsmaßstab und Modellvalidierung T. Egger, G. Fieg, TU Hamburg-Harburg/D
12:45 Mittagspause
VERFAHRENSENTWICKLUNG
13:45 Konzeptionelle Verfahrensentwicklung von biotechnologischen Prozessen im Chemieanlagenbau J. Völkl, B. Kolbe, M. Fritsch, R. Kleinschmidt, ThyssenKrupp Industrial Solutions AG, Dortmund/D
14:15 Enzymatische Reaktivrektifikation: Vorteile und Limitierungen von Enzymen beim Einsatz in integrativen Trennverfahren S. Kühn, R. Heils, I. Smirnova, A. Liese, TU Hamburg-Harburg/D
14:45 Hybrider Ansatz zur Prozessoptimierung am Beispiel des Trennteils der großtechnischen Methanolsynthese J. Fendt, S. Rehfeldt, H. Klein, TU München, Garching/D
15:15 Kaffeepause & Posterdiskussion
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vortragsprogramm
Mittwoch, 16. März 2016
ABSORPTION
15:30 NMR spektrospkopische Bestimmung der Konzentration von molekularem Kohlendioxid in wässrigen Aminlösungen und Auswirkungen auf die Modellierung von Reaktivabsorptionsprozessen G. Sieder1, T. Ingram1, E. von Harbou2, R. Behrens2, H. Hasse2, 1 BASF SE, Ludwigshafen/D, 2 TU Kaiserslautern/D
16:00 Designing CO2 Absorption Columns with Activated Amine Solutions M. Schultes, RASCHIG GmbH, Ludwigshafen/D
16:30 Vergleich von MEA und AMP als Lösungsmittel für die CO2Abscheidung mit Hilfe des ratebased Ansatzes N. Hüser, O. Schmitz, E. Kenig, Universität Paderborn/D
17:00 Ende der Vorträge des ersten Tages
17:40 Busshuttle zur AlpspitzbahnTreffpunkt Eingang Mercure Hotel Alpspitzbahn Am Kreuzeckbahnhof 1282467 Garmisch-Partenkirchen
18:00 Geselliger Abend auf der Hoch Alm Grainau (18:00 – ca. 23:00) Wir empfehlen festes Schuhwerk und warme Kleidung. Die Anfahrt erfolgt gemeinsam mit der Bergbahn. Anmeldung unbedingt erforderlich.Die Rückfahrt erfolgt um 22:30.
© Hochalm
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vortragsprogramm
Donnerstag, 17. März 2016
8:45 Berührungslose Messtechniken zur Charakterisierung mehrphasiger Strömungen M. Schlüter, TU Hamburg-Harburg/D
NEUE MESSMETHODEN FÜR DIE FLUIDVERFAHRENSTECHNIK
09:15 Einsatz von faseroptischer Temperaturmessung in einem Laborverdampfer und kondensator R. Goedecke1, T. Sieger1, P. Drögemüller2, S. Scholl1, 1 TU Braunschweig/D, 2 Cal Gavin Ltd., Alcester/UK
09:45 Anwendungspotential der NahInfrarotBildanalyse in der Fluidverfahrenstechnik F. Kübel-Heising1, S. Kunkel1, D. Geörg1, A. Hien1, I. Medina1, S. Scholl2, J. Repke3, M. Rädle1, 1 Hochschule Mannheim /D, 2 TU Braunschweig/D, 3 TU Bergakademie Freiberg /D
10:15 Erfassung von Entrainment auf Ventilböden mittels optischer Messtechnik M. Lichti, H.-J. Bart, TU KaiserslauternD
10:45 Kaffeepause & Posterdiskussion
NEUE MESSMETHODEN FÜR DIE FLUIDVERFAHRENSTECHNIK
11:15 Ortsaufgelöste Analyse des Gastransports in gestörten Filmströmungen mithilfe der Planaren Laserinduzierten Fluoreszenz V. Kapoustina1, N. Riecker1, M. Rädle1, J. Repke2, 1 Hochschule Mannheim/D, 2 TU Bergakademie Freiberg/D
11:45 Bestimmung fluiddynamischer Parameter in einer Packungskolonne mittels Computertomographie S. Schug, W. Arlt, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg/D
12:15 Untersuchung von Druckverlust, Holdup und Phasengrenzfläche für strukturierte Packungen mittels numerischer Simulationen A. Olenberg, E. Kenig, Universität Paderborn/D
12:45 Mittagspause
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vortragsprogramm
Donnerstag, 17. März 2016
HYDRODYNAMIK IN TRENNKOLONNEN
13:45 Entwicklung einer miniaturisierten Versuchsanordnung zur Analyse der Fluiddynamik in strukturierten Packungskolonnen J. Sacher1, M. Hapke2, J. Repke1, M. Grünewald2, 1 TU Bergakademie Freiberg/D, 2 Ruhr-Universität Bochum /D
14:15 Experimentelle Untersuchung der Flüssigkeitsverteilung in Füllkörperpackungen mit verschiedenen Nenngrößen und Kolonnendurchmessern F. Hanus1, J. Solá2, K. Hoffmann2, S. Rehfeldt1, H. Klein1, 1 TU München, Garching/D, 2 RVT Process Equipment GmbH, Steinwiesen/D
14:45 Untersuchung und Modellierung der Flüssigphasenverteilung in Füllkörperkolonnen F. van Holt, Ruhr-Universität Bochum /D
15:15 Kaffeepause & Posterdiskussion
STOFFTRANSPORTE IN TRENNKOLONNEN
15:30 Übertragbarkeit von Trennleistungsmessungen für Packungen im Bereich der Rektifikation: Validierung eines reduzierten Stofftransportansatzes C. Ehlers1, C. Hiller1, A. Rix1, G. Fieg2, 1 Evonik Technology & Infrastructure GmbH, Marl/D, 2 TU Hamburg-Harburg /D
16:00 Peculiarities of structured packing performance at lowest operating pressures Z. Olujic1, T. Rietfort2, H. Jansen2, 1 TU Delft, Delft/NL, 2 Julius Montz GmbH, Hilden/D
16:30 „Feasibility Study“ zur vergleichenden Ermittlung der Wirksamkeit von Stoffaustauschelementen mit Hilfe von O2gesättigtem Wasser C. Matten, Linde AG Linde Engineering Division, Pullach/D
17:00 Ende der Veranstaltung
poster
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P 1 Influence of liquid properties on droplet holdup and mass transfer in a DN 250 packed bed absorption column F. Ortloff, F. Graf, T. Kolb, KIT, Engler-Bunte-Institut, Karlsruhe/D
P 2 Voruntersuchungen zur computertomographischen Bestimmung von Mehrphasenströmungen in einer Packungskolonne T. Linder, S. Schug, W. Arlt, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg/D
P 3 Tomographische Untersuchung der Strömung in strukturierten Packungen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln J. Steube1, D. Toye2, E. Kenig1, 1 Universität Paderborn/D, 2 Laboratory of chemical enigineering, Liège/B
P 4 Wärmeübergang beim Sieden an Stahlrohren von Reinstoffen und Gemischen A. Luke, Universität Kassel/D
P 5 Potenzial der Vorwärtsosmose bei der Aufbereitung industrieller Abwässer J. Lorenz, A. Haupt, A. Lerch, TU Dresden/D
P 6 Electrocoagulation and Membrane Filtration a Process to Treat Produced Water – Oil Industry Reality F. Lima, A. Haupt, A. Lerch, TU Dresden/D
P 7 Distillation Tray Efficiency Modeling: A Forgotten ChapterV. Vishwakarma1,2, M. Schubert2, U. Hampel1,2,1 TU Dresden/D2 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf/D
P 8 Simulation und experimentelle Untersuchungen zur schonenden Aufarbeitung von ProteingemischenJ. Liang-Schenkelberg, T. Waluga, G. Fieg, TU Hamburg- Harburg/D
P 9 Numerische und experimentelle Untersuchung des Übergangsbereiches der einphasigen Strömung in KissenplattenC. Wecker, M. Piper, A. Zibart, E. Y. Kenig, Universität Paderborn/D
P 10 Hydrodynamische Untersuchungen zum Einfluss der Querschnittsflächen eines rechteckigen AbsorptionsmodulsU. Kopner, S. Paul, S. Lier, M. Grünewald, Ruhr-Universität Bochum/D
P 11 Untersuchung eines Apparatekonzepts zur Erhöhung der Flexibilität von RektifikationskolonnenM. Amirsad, J. Riese, M. Grünewald, Ruhr-Universität Bochum/D
TEILNEHMERLISTE
Amirsad, Mirvais Ruhr-Universität Bochum / Lehrstuhl Fluidverfahrenstechnik Bochum, Germany
Bart, Prof. Hans-Jörg TU Kaiserslautern Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik Kaiserslautern, Germany
Bausa, Dr. Jürgen COVESTRO Leverkusen, Germany
Behrens, Richard TU Kaiserslautern Lehrstuhl für Thermodynamik Kaiserslautern, Germany
Benfer, Dr. Regina BASF SE Chemical and Process Engineering Ludwigshafen, Germany
Bonmann, Dr. Ralf INEOS Phenol GmbH Technology Gladbeck, Germany
Braschke, Kamil Bergische Universität Wuppertal Strömungsmechanik Wuppertal, Germany
Bürger, Markus Bergische Universität Wuppertal Lehrstuhl für Strömungsmechanik Wuppertal, Germany
Delfs, Dr. Uwe VDI e.V. Düsseldorf, Germany
Egger, Torben Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Prozess- und Anlagentechnik Institut für Prozess- und Anlagentechnik Hamburg, Germany
Ehlers, Christoph Evonik Technology & Infrastructure GmbH Marl, Germany
Eiden, Dr. Ulrich BASF SE Ludwigshafen, Germany
Fechter, Uwe Bergische Universität Wuppertal Wuppertal, Germany
Fendt, Johannes Technische Universität München, Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik Garching, Germany
Fieg, Prof. Georg TU Hamburg-Harburg Prozess- und Anlagentechnik Hamburg, Germany
Fuhrmeister, Marlene Julius Montz GmbH Verfahrenstechnik Hilden, Germany
Geipel, Dr. Christian RVT Process Equipment GmbH Steinwiesen, Germany
Geipel, Dr. Werner RVT Process Equipment GmbH Steinwiesen, Germany
Goedecke, Dr.-Ing. Ralf Rodenbach, Germany
Górak, Prof. Andrzej TU Dortmund BCI / LS Fluidverfahrenstechnik Dortmund, Germany
Grün, Dr. Marcus Paul Bayer CropScience AG Monheim, Germany
Grüner, Dr. Christof Evonik Technology & Infrastructure GmbH Hanau, Germany
Grünewald, Prof. Marcus Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl Fluidverfahrenstechnik Bochum, Germany
Hanuš, Florian Technische Universität München Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik Garching, Germany
Hapke, Mark Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl Fluidverfahrenstechnik Bochum, Germany
Haupt, Anita TU Dresden, Professur für Hydroverfahrenstechnik Professur für Hydroverfahrenstechnik Dresden, Germany
Heikamp, Wolfgang RASCHIG GmbH Raschig Ringe Ludwigshafen, Germany
Heils, Rene TU Hamburg-Harburg Institut für thermische Verfahrenstechnik Hamburg, Germany
Herguijuela, Dr. Juan Ramon Sulzer Chemtech Process Technology Allschwil, Switzerland
Hiller, Dr. Christoph Evonik Industries AG Fluid Processing Marl, Germany
Hoffmann, Karin RVT Process Equipment GmbH F&E and design Steinwiesen, Germany
Janoske, Prof. Uwe Bergische Universität Wuppertal Lehrstuhl Strömungsmechanik Wuppertal, Germany
Kapoustina, Viktoria Hochschule Mannheim / Institut für Prozessmesstechnik und innovative Energiesysteme Mannheim, Germany
Kenig, Prof. Eugeny Universität Paderborn Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik Paderborn, Germany
Klein, Prof. Harald TU München Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik Garching, Germany
Knösche, Dr. Carsten BASF SE Ludwigshafen, Germany
Kolbe, Dr. Bärbel ThyssenKrupp Industrial Solutions Technology, Innovation, Sustainability Dortmund, Germany
Kopner, Uta Ruhr-Universität Bochum Fluidverfahrenstechnik Witten, Germany
Kübel-Heising, Felix Hochschule Mannheim Institut für Prozessmesstechnik und innovative Energiesysteme Mannheim, Germany
Kühn, Steffen TU Hamburg-Harburg Institut für Technische Biokatalyse Hamburg, Germany
Lichti, Markus TU Kaiserslautern Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik Kaiserslautern, Germany
Linder, Thomas Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik Erlangen, Germany
Longerich, Markus Bayer Pharma AG Wuppertal, Germany
Lorenz, Judith TU Dresden, Professur für Hydroverfahrenstechnik Dresden, Germany
Löw, Sebastian Siemens AG Frankfurt am Main, Germany
Luke, Prof. Andrea Universität Kassel FG Technische Thermodynamik Kassel, Germany
Mackowiak, Dr. Jan ENVIMAC Engineering GmbH Oberhausen, Germany
Matten, Christian Linde AG Linde Engineering Division Pullach i. Isartal, Germany
Maurer, Thomas Bergische Universität Wuppertal Wuppertal, Germany
Meier, Ralf Evonik Resource Efficiency GmbH Innovation Management Marl, Germany
Metzen, Bernd BASF SE Chemical and Process Engineering Ludwigshafen, Germany
Mohan Kumar, Chethan DHBW Mosbach Maschinenbau Mosbach, Germany
Müller, Michael ENEXIO Water Technologies GmbH Mass Transfer Wettringen, Germany
Müller, Steffen RASCHIG GmbH Raschig Ringe Ludwigshafen, Germany
Nandana, Varchasvi Bergische Universität Wuppertal Fachgebiet für Strömungsmechanik Wuppertal, Germany
Neumann, Kolja TU Dortmund Dortmund, Germany
Ohligschläger, Andre Akzo Nobel Industrial Chemicals GmbH Methanchlorierung Frankfurt am Main, Germany
Olenberg, Alexander Universität Paderborn Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik Paderborn, Germany
Olujic, Dr. Zarko TU Delft Process & Energy Delft, Netherlands
Ortloff, Felix KIT, Engler-Bunte-Institut chem. Energieträger - Brennstofftechnologie Karlsruhe, Germany
Paschold, Jürgen BASF SE Ludwigshafen, Germany
Rädle, Prof. Matthias Hochschule Mannheim Institut für Prozessmesstechnik und innovative Energiesysteme Mannheim, Germany
Rakel, Dr. Thomas BASF SE Ludwigshafen, Germany
Rehfeldt, Dr. Sebastian TU München Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik Garching, Germany
Repke, Prof. Jens-Uwe TU Berlin Fachgebiet Dynamik und Betrieb technischer Anlagen Berlin, Germany
Runowski, Dr. Thomas Bayer Technology Services GmbH Leverkusen, Germany
Sacher, Johannes TU Bergakademie Freiberg, ITUN Freiberg, Germany
Schlichting, Dr. Holger Air Liquide Forschung und Entwicklung GmbH Frankfurt/Main, Germany
Schlüter, Prof. Michael TU Hamburg-Harburg Institut für Mehrphasenströmungen Hamburg, Germany
Scholl, Prof. Stephan TU Braunschweig Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik Braunschweig, Germany
Schug, Sebastian Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik Erlangen, Germany
Schultes, Dr. Michael RASCHIG GmbH Raschig Ringe Ludwigshafen, Germany
Schulz, Robin Julius Montz GmbH Verfahrenstechnik Hilden, Germany
Sieder, Dr. Georg BASF SE Ludwigshafen, Germany
Solà Cervera, Dr. Jose Luis RVT Process Equipment GmbH Steinwiesen, Germany
Staak, Dr. Daniel Lonza AG Center of Excellence Visp, Switzerland
van Holt, Felix Ruhr-Universität Bochum Fluidverfahrenstechnik Bochum, Germany
Vishwakarma, Vineet Technische Universität Dresden / HZDR Dresden, Germany
Völkl, Dr. Johannes Thyssenkrupp Uhde Engineering Services Refining, Petrochemicals and Technologies Bad Soden/Taunus, Germany
Weber, Dr. Markus INEOS Phenol Technology Gladbeck, Germany
Wecker, Christian Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik Hövelhof, Germany
Wehrli, Dr. Marc Sulzer Chemtech Ltd Mass Transfer Components Winterthur, Switzerland
Wirths, Jörg Bayer Pharma AG Wuppertal, Germany
Wolf, Dr. Verena Montanuniversität Leoben Lehrstuhl für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes Leoben, Austria
Yildirim, Ömer ThyssenKrupp Industrial Solutions AG Technology, Innovation & Sustainability Dortmund, Germany
Diese Liste wird nur den Teilnehmern dieser Tagung zur Verfügung gestellt. Eine Weitergabe an Dritte verstößt gegen §41 des Bundesdatenschutzgesetzes (BDSG) und ist deshalb nicht gestattet.
Vortragsprogramm
35 Jahre Rotating Packed Beds und doch am Anfang
– Quo vadis? Kolja Neumann, Mirko Skiborowski, Andrzej Górak
TU Dortmund, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Dortmund, Deutschland
Zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit gewinnen effizientere und flexiblere
Produktionsverfahren durch Einsatz intensivierter Maschinen und Apparate in der
chemischen Industrie an Bedeutung. Besonders vielversprechend ist hierbei die
HiGEE-Technologie („High Gravity“), bei der die Gravitationskraft durch ein
angelegtes Zentrifugalfeld ersetzt wird, um den Stofftransport zu intensivieren. Einen
wichtigen Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet der HiGEE-Technologie bilden
rotierende Stoffaustauschmaschinen, Rotating Packed Bed (RPB) genannt, welche
die Anforderungen einer flexible Prozessführung mit einem kompakten Design
vereinen. Damit kann die Größe der Maschine und damit der notwendige Platzbedarf
innerhalb der Gesamtanlage reduziert werden. Bei RPBs wird die Flüssigkeit im
Zentrum einer rotierenden Packung aufgegeben, von wo aus sie, durch die
Zentrifugalkraft beschleunigt, nach außen strömt. Je nach Anwendungsfall wird der
Dampf bzw. das Gas im Gleichstrom oder im Gegenstrom aufgegeben.
Seit der Patentierung des RPBs 1981 durch Ramshaw und Mallinson [1] erschienen
zahlreiche Veröffentlichungen, in denen verschiedene Grundoperationen
(Destillation, Absorption, Stripping etc.) und Weiterentwicklungen des Grunddesigns
untersucht wurden. Trotz dieser Forschungsarbeiten findet sich bei der Suche nach
allgemein verfügbaren Informationen weltweit nur ein industriell großtechnischer
Anwendungsfall, die Produktion von Hypochlorsäure [2]. Ziel dieses Vortrages ist es,
die Ursachen für die fehlende industrielle Anwendung aufzuschlüsseln, die
Entwicklungen im Bereich der RPBs nachzuzeichnen und auf die Problemstellungen
und mögliche Lösungsstrategien einzugehen. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der
Vorstellung aktueller Ergebnisse aus den Forschungsarbeiten des IMPACCT
Projektes.
Literatur:
[1] Ramshaw,C.; Mallinson R.H.; US 4,283,255 (1981)
[2] Quarderer, G. J. et al. ; US 6,048,513 (2000)
Die Boden-Trennwandkolonne – kein Buch mit sieben Siegeln Bernd Metzen, BASF SE, Ludwigshafen/Deutschland
Der Einsatz von Trennwandkolonnen in Destillationsprozessen der chemischen
Industrie hat sich in den letzten Jahren als etablierter Standard zur Optimierung
eines Verfahrens hinsichtlich Energie- und Investitionskosten durchgesetzt. Als
trennwirksame Kolonneneinbauten werden hauptsächlich strukturierte Blech- oder
Gewebepackungen eingesetzt.
Böden hingegen werden als trennwirksame Einbauten in Trennwandkolonnen noch
recht selten verwendet. Dies mag daran liegen, dass deren Auslegung wesentlich
komplexer ist als die Auslegung von strukturierten Packungen.
Die Auslegung umfasst neben der Auswahl des Bodentyps, dem Design der Böden
und der Festlegung der Anzahl der Böden auch die Gestaltung der
nichttrennwirksamen Bereiche der Trennwandkolonne. In diesem Vortrag soll gezeigt
werden, dass die Auslegung einer Trennwandkolonne mit Böden auf einer
Vereinigung von Standardelementen aus dem Design von Bodenkolonnen und
Spezialelementen, die typisch für Trennwandkolonnen sind, beruht.
Design, Anwendungen und Erfahrungen mit Trennwandkolonnen bei Lonza
Dr.-Ing. Daniel Staak, Center of Excellence, Lonza AG, Schweiz;
Der Einsatz von Trennwandkolonnen (TWK) hat sich in den letzten Jahren stark
verbreitet, wobei der Einsatz von Firma zu Firma stark variiert. Viele Firmen
verzichten bis heute gänzlich auf den Einsatz dieser Technologie. Dabei bieten TWK
beträchtliche Vorteile gegenüber Konkurrenzverfahren, nämlich einen geringeren
Energieverbrauch und geringeren Anlageninvestitionen. Häufig wird in der
einschlägigen Literatur ein Einsparpotential von bis zu 40% beansprucht. Lonza hat
die erste TWK 2010 in Betrieb genommen. Seitdem hat sich diese Technologie im
Unternehmen stark entwickelt und schnell verbreitet. Der Grund hierfür liegt
wahrscheinlich in der schnellen, einfachen und effizienten Auslegungsmethodik
welche parallel mit der ersten Kolonne entwickelt wurde und seitdem kontinuierlich
verfeinert wird. So wurde keine der heute im industriellen Maßstab betriebenen
Kolonnen vorher pilotiert. Zusätzlich hatte man durch diese Auslegungsmethodik ein
Werkzeug zur Hand, um den Einsatz von TWK auch bei Anwendungen zu
evaluieren, die auf den ersten Blick zu komplex oder ungeeignet erschienen. So
wurden in den letzten Jahren eine Reihe von Spezialanwendungen implementiert,
wie die erste Mehrzweck-Trennwandkolonne [1], die Extraktiv-Trennwandkolonne [2],
eine Kolonne mit nach unten durchgezogener, sowie eine Kolonne mit nach oben
durchgezogener Trennwand. Der Druckbereich reicht dabei von Vakuum (100 mbar)
bis Überdruck (10 bar).
Im Rahmen des Vortrages wird die Lonza-Methodik bei der Implementierung einer
TWK von der ersten Simulation über Laborversuche bis hin zur Inbetriebnahme und
dem Entwurf des Regelungskonzepts vorgestellt. Weiterhin werden
Betriebserfahrungen sowie potentielle Fehlerquellen erörtert.
[1] D. Staak, T. Grützner, B. Schwegler, D. Röderer: Dividing wall column for industrial multi-
purpose use, Chemical Engineering and Processing (75), pp. 48-57, 2014
[2] D. Staak, T. Grützner, M. Favre: Die Extraktivtrennwandkolonne im Produktionseinsatz:
Wegweisende Prozessintensivierung in der industriellen Praxis. ProcessNet Jahrestreffen der
Fachgemeinschaft Fluiddynamik und Trenntechnik, Würzburg, Semptember 2013
Optimierung von Trennwandkolonnen in der BASF Regina Benfer, BASF SE, Ludwigshafen/Deutschland;
In der BASF werden seit 30 Jahren Trennwandkolonnen eingesetzt. Während
damals noch traditionelle Handwerkzeuge des Kolonnendesigns genutzt wurden, ist
heutzutage die Nutzung rigoroser Simulationen Standard. Ziel der Optimierung ist i.
a. die Optimierung des Energieeintrags bei gleichzeitiger Berücksichtigung der
Investitionskosten. Aufgrund der höheren Anzahl an Freiheitsgraden bei der
Auslegung einer Trennwandkolonne ist diese Aufgabe komplex und lässt
verschiedene Vorgehensweisen zu. Dazu gehört beispielsweise die Verwendung von
Short-cut Methoden oder von Heuristiken zur Vorstrukturierung. Dadurch ist es
vielfach möglich, die Konvergenz der rigorosen Simulation mit der Auswahl
geeigneter Startwerte positiv zu beeinflussen. Aber auch die Abbildung einer
Trennwandkolonne als 2-/3- oder 4-Kolonnenverschaltung führt in der Anwendung zu
unterschiedlichem Verhalten bei der Optimierung.
In diesem Beitrag wird anhand von Beispielen vorgestellt, dass unterschiedliche
Methoden nicht nur zu unterschiedlicher Bearbeitungszeit sondern auch zu
unterschiedlichen Ergebnissen führen können. Dabei werden für die BASF
entwickelte Tools und eine empfohlene Strategie zur Vorgehensweise vorgestellt.
Enzymkatalysierte reaktive Trennwandkolonnen: Experimenteller Betrieb im Technikumsmaßstab und Modellvalidierung
T. Egger, G. Fieg, Institut für Prozess- und Anlagentechnik, Technische Universität
Hamburg- Harburg, Am Schwarzenberg-Campus 4, D-21073 Hamburg
Prozessintegration ist eine wichtige Methode zur Effizienzsteigerung in der
chemischen Industrie. Trennwandkolonne und Reaktivrektifikation sind Beispiele für
den zunehmenden Einsatz integrierter Apparate in der industriellen Praxis. Diese
beiden Apparate können weiter zur reaktiven Trennwandkolonne zusammengefasst
und dadurch zusätzliche Kosteneinsparungen realisiert werden. Der hohe Grad der
Prozessintegration führt gleichzeitig zu einem sehr komplexen Prozessverhalten und
erfordert damit für die Prozessauslegung präzise und zuverlässige
Simulationsmodelle. Dazu leistet die experimentelle Überprüfung der
Simulationsergebnisse einen entscheidenden Beitrag.
Unsere Forschung zu reaktiven Trennwandkolonnen zeichnet sich daher durch die
enge Verzahnung experimenteller und simulativer Untersuchungen aus. Nach der
erfolgreichen Entwicklung eines mathematischen Modells zur Vorhersage von
Betriebspunkten wurde dieses nun experimentell validiert. Als Referenzsystem wird
die enzymkatalysierte Umesterung von 1-Hexanol und n Butylacetat detailliert
untersucht. Der Einsatz hochselektiver Enzyme stellt durch Vermeidung von
Nebenprodukten einen entscheidenden Schlüssel zur eleganten Modellvalidierung
dar. Zur Parametrisierung des Modells wurden umfangreiche Messungen zur
Reaktionskinetik, des Dampf-Flüssig-Gleichgewichts sowie der Enzymdesaktivierung
durchgeführt. Anschließend wurde erstmalig eine enzymkatalysierte reaktive
Trennwandkolonne im Technikumsmaßstab (11 m Höhe) betrieben, um das Modell
sorgfältig zu valideren.
In dieser Präsentation werden zunächst das Untersuchungskonzept, das
Referenzsystem sowie das Simulationsmodell vorgestellt. Im Zentrum stehen die
experimentellen Ergebnisse und die Modellvalidierung. Umfangreiche Erfahrungen
aus dem praktischen Einsatz von Enzymen im experimentellen Anlagenbetrieb
runden die Präsentation ab.
Konzeptionelle Verfahrensentwicklung von biotechnologischen Prozessen im Chemieanlagenbau
Johannes Völkl, Bärbel Kolbe, Markus Fritsch, Ralph Kleinschmidt,
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG, Dortmund
Um den Bedarf an fossilen Rohstoffen zu reduzieren und die Produktion an
Treibhausgasen wie CO2 zu minimieren, wurden in den letzten Jahren intensiv
Verfahren zur Herstellung von chemischen Produkten auf Basis von
nachwachsenden Rohstoffen entwickelt. Auf dem Markt haben sich bereits einige
entsprechende Prozesse etabliert. Die Umsetzung von neuen Ansätzen aus der
Forschung in die industrielle Praxis ist dabei immer mit komplexen technologischen
und ökonomischen Fragestellungen verknüpft.
Im vorliegenden Beitrag werden exemplarisch für die Entwicklung von
biotechnologischen Verfahren die fermentativen Routen zu Milchsäure und
Bernsteinsäure, die als Ausgangsstoffe für biobasierte Polymere dienen, dargestellt.
Aufgrund der Merkmale dieser Verfahren wie eine hohen Verdünnung der
Wertprodukte in wässriger Lösung, eine große Anzahl an Komponenten
einschließlich Nährstoffen und Salzen und die komplexe Überlagerung mit Säure-
Base-Gleichgewichten ist die Aufarbeitung ein essentieller Schritt für die Wirtschaft-
lichkeit des Gesamtverfahrens. Hierfür wurden Ansätze einer konzeptionellen
Verfahrensentwicklung für das Umfeld Chemieanlagenbau erarbeitet. Dazu gehört
die Auswahl verschiedener Trennoperationen wie Reaktivextraktion, Kristallisation,
Adsorption oder Destillation sowie deren Anordnung im Verfahrensschema und ggf.
der Einsatz von geeigneten Lösungsmitteln. Zur Bewertung der Verfahrensvarianten
werden diese mit Prozesssimulationstools abgebildet. Dazu müssen zunächst die
thermophysikalischen Daten der Einzelkomponenten sowie deren Wechselwirkungen
untereinander mit der erforderlichen Genauigkeit zur Generierung von belastbaren
Ergebnissen erfasst und an entsprechende Modelle angepasst werden. Basierend
auf den so erstellten Massen- und Energiebilanzen werden Investitions- und
Betriebskosten abgeschätzt und die Verfahren so miteinander verglichen.
Es lässt sich zeigen, dass sich durch die Anwendung von konzeptionellen Ansätzen
Lösungswege für das Design von biotechnologischen Prozessen identifizieren und
bewerten lassen. Dadurch können vielversprechende von nicht zielführenden
Varianten unterschieden und so die Verfahrensentwicklung beschleunigt werden.
Enzymatische Reaktivrektifikation: Vorteile und Limitierungen von Enzymen beim Einsatz in integrativen Trennverfahren
Steffen Kühn a, Rene Heils b, Irina Smirnova b, Andreas Liese a;
Institut für Technische Biokatalyse a, Institut für Thermische Verfahrenstechnik b,
Technische Universität Hamburg-Harburg
Der simultane Ablauf von Reaktion und Produktabtrennung in der Reaktivrektifikation
ermöglicht sowohl Material- und Kosteneinsparungen als auch eine Steigerung von Umsatz
und Selektivität. Der Vorteil von integrativen Trennverfahren kann auch für enzymatische
Reaktionen genutzt werden, insbesondere wenn eine Gleichgewichtslimitierung oder eine
Produktinhibierung vorliegt. Die Herausforderung liegt dabei in der stabilen Einbringung des
Biokatalysators in die Rektifikationskolonne.
In vorangegangenen Arbeiten konnten Enzyme mit Hilfe eines porösen Silika-Überzugs für
strukturierte Gewebepackungen erfolgreich in eine Reaktivrektifikationskolonne eingebracht
werden (s. Abb. 1)1. Aufgrund der hohen Enantioselektivität von Enzymen im Vergleich zu
chemischen Katalysatoren kann nun das Reaktionsspektrum der Reaktivrektifikation auf
chirale Produkte erweitert werden. Für die kinetische Racematspaltung von (R/S)-2-Pentanol
mit Ethylbutyrat konnte durch Abzug des leichtsiedenden Produktes
eine vollständige Trennung des Racemats erreicht werden2.
In dieser Arbeit sollen anhand einer Auswahl von weiteren Enzymen
und Reaktionen die Vorteile und Limitierungen der enzymatischen
Reaktivrektifikation aufgezeigt werden. Beispielsweise kann das
Betriebsfenster hier durch den Einsatz von temperaturstabilen
Enzymen und durch eine geschickte Prozessführung
(Vakuumbetrieb, Katalysatorposition) erweitert werden. Nach einer
umfassenden Charakterisierung der Reaktionskinetik und der
Stabilität des eingesetzten Enzyms soll mittels eines
Gleichgewichtsstufenmodells die Durchführbarkeit von ausgewählten Enzymreaktionen in
der Reaktivrektifikation untersucht werden.
1 Smirnova, et al. 2010, Patent DE102010028788A1 2 Heils et al. 2015, Ind. Eng. Chem. Res., 2015, 54 (38), pp 9458–9467
Abb. 1 - Packung mit biokatalytischem Überzug
Hybrider Ansatz zur Prozessoptimierung am Beispiel des Trennteils der großtechnischen Methanolsynthese
Johannes Fendt, Sebastian Rehfeldt, Harald Klein, Technische Universität München,
Garching/D
Die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Ressourcen führt zu einer steigenden Nachfrage
nach ressourcen- und energieeffizienten Prozessen. Dies gilt insbesondere für ener-
gieintensive thermische Trennverfahren wie die Rektifikation. Die Prozess-
optimierung ist dabei eine Schlüsseldisziplin, die Ingenieure sowohl bei der Ver-
fahrensentwicklung als auch der der Verbesserung bestehender Anlagen unterstützt.
Prozesssimulationen werden üblicherweise mit kommerziellen Programmen durchge-
führt, die eine schnelle und zuverlässige Implementierung der Prozesse ermöglichen.
Allerdings sind Flexibilität und Potenzial der Optimierung häufig begrenzt. Im Gegen-
satz dazu erlauben algebraische Modellierungssprachen die Entwicklung, Lösung
und Optimierung eigener gleichungsbasierter Modelle und bieten eine Vielzahl von
Algorithmen zur Auswahl. Die Implementierung und Initialisierung dieser großen
Gleichungssysteme ist jedoch eine zeitintensive Vorarbeit vor der eigentlichen Opti-
mierung.
Alternativ dazu lassen sich die Vorteile beider Methoden miteinander verbinden: eine
flexible und anpassbare Optimierungsplattform die zur effizienten Prozessimplemen-
tierung mit Prozesssimulatoren kombiniert wird. Hierfür wird ein hybrider Ansatz ge-
wählt. MATLAB wird für die Optimierung verwendet, da eine Vielzahl an lokalen und
globalen Optimierungsroutinen bereits direkt oder als externe Bibliotheken verfügbar
sind. Der Prozess wird mithilfe von Prozesssimulatoren implementiert, wobei die vor-
handen Modelle der Grundoperationen, Stoffdatenmethoden und Initialisierungsrou-
tinen benutzt werden können. Die Kommunikation zwischen den beiden Programmen
wird durch eine möglichst allgemein definierte Schnittstelle ermöglicht.
Als Anwendungsbeispiel wird der hybride Ansatz verwendet, um einen hinsichtlich
der Betriebskosten optimalen Trennteil der großtechnischen Methanolsynthese zu
ermitteln. Im Vergleich zur gleichungsbasierten Modellierung führt die erhöhte Zahl
der Zielfunktionsaufrufe für die Bestimmung der numerischen Gradienten zu einer
höheren Rechenzeit. Abhängig von der Größe und Komplexität des Prozesses kann
allerdings der Aufwand für die Implementierung und Initialisierung deutlich reduziert
werden.
NMR spektroskopische Bestimmung der Konzentration von molekularem Kohlendioxid in wässrigen Aminlösungen und
Auswirkungen auf die Modellierung von Reaktivabsorptionsprozessen Thomas Ingrama, Georg Siedera, Erik von Harboub, Richard Behrensb, Hans Hasseb aBASF SE Ludwigshafen; bLehrstuhl für Thermodynamik (LTD), TU Kaiserslautern
Für das Design und Scale-up von Reaktivabsorptionsprozessen zur Abtrennung saurer
Gase wie CO2 und H2S haben sich Rate-based Modelle durchgesetzt, bei denen die
Kinetik des Stoff- und Wärmeübergangs sowie die Reaktionskinetik explizit berücksichtigt
werden. Im Rahmen dieses Projekts wurde in einem ersten Schritt der Einfluss der Wahl
des physikalisch-chemischen Stoffdatenmodells auf die Vorhersagen solcher
Prozessmodelle untersucht. Als Beispiel wird die Absorption von CO2 in wässrigen
Lösungen von Methyldiethanolamin (MDEA) betrachtet. Zunächst werden verschiedene,
gleichwertig erscheinende Stoffdatenmodelle vorgestellt. Diese führen jedoch zu stark
unterschiedlichen Beschreibungen der CO2 Absorption und letztlich der
Dimensionierungen der Anlagen. Eine nähere Betrachtung zeigt, dass der wesentliche
Grund für die Unterschiede die unterschiedliche Beschreibung der (kleinen)
Konzentration des molekularen CO2 im Lösemittel ist. Diese Größe ist sowohl für die
physikalischen als auch die chemischen Prozesse bei der Absorption zentral. Sie ist aber
bisher messtechnisch praktisch nicht zugänglich und geht deshalb nicht in die
Parametrierung der Modelle ein. Das übliche Vorgehen ist, die Löslichkeit des
molekularen CO2 über die Lachgasanalogie zu bestimmen. D.h. es werden Experimente
mit dem nicht-reaktiven N2O statt mit CO2 durchgeführt und anschließend werden diese
Ergebnisse auf CO2 übertragen. Dieses Verfahren hat sich etabliert, aber über seine
Gültigkeit besteht bisher kein Konsens. Im Rahmen des Projekts wurde deshalb die
Lachgasanalogie einer kritischen Prüfung unterzogen, die Grenzen der Methode werden
aufgezeigt. Der zentrale Schritt der Arbeit besteht aber in der direkten experimentellen
Bestimmung der Konzentration des molekularen CO2. Es wird gezeigt, dass diese
aufgrund der in den letzten Jahren deutlich gestiegenen Empfindlichkeit der Geräte mit
der NMR Spektroskopie gelingt, auch in den technisch interessierenden Bereichen. Dies
bietet neue Optionen für die Modellierung der betrachteten Reaktivabsorptionsprozesse.
Designing CO2 Absorption Columns with Activated Amine Solutions
Michael Schultes, Raschig GmbH, D-67061 Ludwigshafen
CO2 absorption into chemical solvents is a growing industrial market since decades.
Nowadays activated Methyldiethanolamines (aMDEA) in aqueous solutions are quite
often used as solvents. There are several amine compositions available on the
market promoted by companies like BASF, DOW, Evonik, Hitachi, Ineos, Mitsubishi
Heavy Industries or Siemens to name only a few of them. All solvents from these
companies are activated and piperazine is one of the most popular activator to
enhance the absorption efficiency in CO2 chemisorption towers. The reaction kinetics
in the solvent plays an important rule for binding the CO2 efficiently into the liquid as
CO2 has regularly a very low solubility in aqueous solvents.
The prediction of a chemisorption process is quite different to physical diffusion
processes like rectification, absorption or stripping towers. For designing a CO2
activated amine absorption tower the chemical reaction in the liquid phase have to be
understood beside the gas and liquid phase mass transfer diffusivities. The reactivity
of the solvent is changing significantly along the tower. At the column top the lean
amine is entering the column with all its reactivity whereby at the column bottom the
solvent is almost inactive. The highly exothermal CO2 reaction with the activated
amine is generating heat in the solvent leading to temperature peaks along the tower.
Last not least tower internals like structured or random packings or mass transfer
trays are applied in industrial towers to handle the reaction and temperature effects in
the gas and liquid phase. The paper will discuss especially structured and random
packings used in industrial CO2 chemisorption columns. It will disclose information
about packing characteristics and parameter to look at for selecting the preferred
tower internal. The paper will discuss prediction models recommended to be used for
such processes.
RASCHIG GmbH, Mundenheimer Straße 100, D-67061 Ludwigshafen/Rhein, Tel. 0049 (0) 621 56 180, Fax 0049 (0) 621 56 18 62
Vergleich von MEA und AMP als Lösungsmittel für die CO2-Abscheidung mit Hilfe des rate-based Ansatzes
N. Hüser, O. Schmitz, E.Y. Kenig
Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn/Deutschland
Kohlendioxid (CO2) ist eines der am stärksten für den Klimawandel verantwortlichen
Treibhausgase. Das am häufigsten zur Abscheidung des CO2 eingesetzte Verfahren
besteht aus der Absorption mit wässrigen Aminlösungen, gefolgt von der Regenerie-
rung des Lösungsmittels. Dieses Verfahren ist sehr energieintensiv und führt zu ho-
hen Wirkungsgradverlusten bei der Integration in fossil befeuerte Kraftwerke. Aus
diesem Grund wird viel Arbeit in die Forschung und Entwicklung von Technologien
zur energieeffizienten Abscheidung von CO2 investiert. Eine Möglichkeit zur Optimie-
rung der CO2-Abscheidung ist die Wahl eines geeigneteren Lösungsmittels.
Dieser Beitrag zeigt die numerische Untersuchung des vielversprechenden Amins
2-Amino-2-methylpropanol (AMP) als potentielles Lösungsmittel für die großtechni-
sche Abtrennung von CO2 aus Rauchgasen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf
der Bestimmung optimaler Prozessparameter, um einen CO2-Abscheidegrad von
90% bei möglichst geringem Energieverbrauch zu erreichen. Um die Leistungsfähig-
keit des AMP zu bewerten, wird es mit dem vielfach eingesetzten Lösungsmittel
Monoethanolamin (MEA) verglichen. Damit der Vergleich beider Lösungsmittel unter
realen Bedingungen stattfindet, wurden exemplarisch ein Gaskraftwerk und ein Koh-
lekraftwerk als Rauchgasquellen gewählt. Die CO2-Konzentration im Gas beträgt bei
ersterem etwa 5 mol% und bei letzterem bei etwa 14 mol%.
Es wurden Simulationsstudien basierend auf dem rate-based Modell durchgeführt.
Dieses ist in der Lage die komplexen Wechselwirkungen zwischen chemischen Re-
aktionen, Wärme- und Stofftransport zu beschreiben. Das Modell wurde in die kom-
merzielle Software Aspen Custom Modeler® implementiert; Stoffeigenschaften wer-
den mit Hilfe von Aspen Properties® bestimmt.
Die Studie hat gezeigt, dass durch den Einsatz von AMP anstelle von MEA der
Energieverbrauch um ca. 20% und der Lösungsmitteleinsatz um ca. 15% gesenkt
werden kann. Solche numerische Untersuchungen helfen, Lösungsmittel für die
energieeffiziente Abscheidung von CO2 aus Abgasen zu identifizieren, ohne auf um-
fangreiche und kostenintensive Experimente im Pilot- oder Industriemaßstab ange-
wiesen zu sein.
Einsatz von faseroptischer Temperaturmessung in einem Laborverdampfer und -kondensator
Robert Goedecke1, Thomas Sieger1, Peter Drögemüller2, Stephan Scholl1 1Technische Universität Braunschweig, Institut für Chemische und Thermische
Verfahrenstechnik, Braunschweig/Deutschland 2Cal Gavin Ltd, Alcester, UK
Die Messung von Temperaturverläufen kann in der Verfahrenstechnik wertvolle
Informationen über die in Apparaten ablaufenden Vorgänge und Mechanismen
liefern. Daraus können wichtige Informationen für das Verständnis des
Apparateverhaltens gesammelt und somit die Auslegung und der Betrieb von
Apparaten verbessert werden. Aus diesem Grund werden insbesondere
Temperaturprofile mit verschiedenen Messmethoden ermittelt. Große
Herausforderungen bei der Erstellung von Temperaturprofilen sind die zeitliche und
örtliche Auflösung sowie die Genauigkeit der gemessenen lokalen Temperaturen.
Außerdem soll die Messtechnik die Fluiddynamik und den Wärmeübergang im
Apparat nicht beeinflussen. Eine neue Messtechnik stellt die faseroptische
Temperaturmessung dar. Hierbei werden durch Abtasten der Rayleigh-Streuung
entlang einer Standardglasfaser mit einem Laser quasi-kontinuierlich
Dehnungsprofile gemessen, die dann in Temperaturen umgerechnet werden können.
So kann eine Auflösung von wenigen Millimetern bei einer Gesamtlänge von
mehreren Metern erreicht werden. Die zeitliche Auflösung beträgt wenige Sekunden,
bei neuartigen Geräten auch nur wenige Millisekunden, wodurch auch dynamische
Vorgänge beobachtet werden können.
Am Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik der TU Braunschweig
wurden mit einer faseroptischen Temperaturmessung Untersuchungen an einem
Kissenplatten-Naturumlaufverdampfer sowie einem Rohrbündelkondensator mit
Glattrohren und Drahtgestrickeinbauten durchgeführt. Ziel ist zum einen die
Bestimmung der Aufheiz- und Verdampfungszone im Verdampfer und zum anderen
das Kondensationsverhalten im Kondensator. Die eingebauten Glasfasern haben
einen Durchmesser von 1 mm, womit über die gesamte Höhe der Apparate
gemessen werden kann. Herausfordernd hierbei sind der Einbau und die
Entkopplung von thermischer und mechanischer Beanspruchung der Glasfaser. In
dem Beitrag wird die praktische Umsetzung in realen Apparaten vorgestellt und
Messergebnisse der Kondensationsversuche gezeigt.
Anwendungspotential der Nah-Infrarot-Bildanalyse in der Fluidver-fahrenstechnik
F. Kübel-Heising, S. Kunkel, D. Geörg, A. Hien, I. Medina, Hochschule Mannheim;
S. Scholl, TU Braunschweig; J.-U. Repke, TU Bergakademie Freiberg;
M. Rädle, Hochschule Mannheim
Die Fluidverfahrenstechnik beschäftigt sich vorrangig mit Vorgängen und Prozessen,
bei denen unterschiedliche Fluide gemischt, getrennt und verändert werden.
Häufige Fragestellungen sind mit dem Messen von Stoffzusammensetzungen und
deren lokale Verteilung verbunden. Hier bietet sich eine bildhafte Technologie an, die
es erlaubt, die unterschiedlichen spektralen Eigenschaften von Fluiden mit deren ört-
licher Verteilung zu verbinden. Die Nah-Infrarot-Spektroskopie kann mit bildanalyti-
schen Fragestellungen über die sogenannte Nah-Infrarot-Bildanalyse kombiniert
werden. Die Bildsensoren sind dabei nicht auf Si-Basis aufgebaut, sondern i.d.R. auf
InGaAs (Indium-Gallium-Arsenid). Damit kann Licht mit Wellenlängen von 900 nm bis
1700 nm erfasst werden, welches für das menschliche Auge unsichtbar ist. In diesem
Bereich haben Fluide Eigenschaften, die man im sichtbaren Bereich Farbe nennen
würde, also spektral unterschiedliche Absorptionseigenschaften anhand dieser Kon-
zentrationen gemessen werden können. Das Potential dieser berührungslosen Mess-
technik für die Fluidverfahrenstechnik soll anhand der vier im Beitrag vorgestellten
Beispielen gezeigt werden:
- Visualisierung und Vermessung von verdampfenden Flüssigkeitsgemischen in
Fallfilmen und auf strukturierten Oberflächen
- Darstellung der Kanalbildung während der Kristallisation von Phasenwech-
selmaterialien mit heterogenphasigem Wärmeübertrag
- Sichtbarmachen von Dampfstrahlvorgängen, insbesondere wenn Treibstrah-
len und mitgerissener Dampf von unterschiedlicher chemischer Zusammen-
setzung sind
- Aufzeigen von ortsaufgelösten Trocknungsverläufen auf inhomogenen Ober-
flächen
Diese Anwendungsbeispiele werden einzeln beispielhaft erläutert, die damit zusam-
menhängende neuartige Bildanalysetechnologie und entsprechende technische Her-
ausforderungen dargestellt.
Erfassung von Entrainment auf Ventilböden mittels optischer Messtechnik
M. Lichti, H.-J. Bart,
Thermische Verfahrenstechnik, TU Kaiserslautern, Kaiserslautern
In Destillationskolonnen kommen verschiedene Arten von Abscheidern und
Einbauten zum Einsatz. Zur hydrodynamischen Auslegung von Tropfenabscheidern
(Lamellen/Gestricke), Flashgalerien oder Böden stehen heute viele Standardwerke
und Korrelationen zur Verfügung. Um jedoch im späteren Betrieb eine optimale
Prozessführung zu ermöglichen, ist die Quantifizierung des Tropfenmitrisses sowohl
an Einbauten als auch an Abscheidern von wesentlicher Bedeutung (Schultes,
2014).
In diesem Beitrag wird ein Ansatz für die Erfassung von Entrainment auf und
unter Böden in Destillationskolonnen mit optischen Messtechniken vorgestellt. Die
Versuche werden aus Sicherheitsgründen in einer Cold-Flow Kolonne (DN450) mit
Ventilböden durchgeführt. Die optische Sonde wird an verschiedenen Positionen
über und unter dem Boden positioniert. Es werden erste Ergebnisse zur
Tropfengrößenverteilung präsentiert und Limits und Einsatzpotentiale diskutiert.
Fig. 1: Aufnahme der Tropfengrößenverteilung Fig. 2: Abregnender Ventilboden mit Messsonde
Quelle:
Schultes, M. (2014), The Impact of Tower Internals on Packing Performance. Chem. Ing. Techn., 86: 658–665.
Ortsaufgelöste Analyse des Gastransports in gestörten Filmströmungen mithilfe der Planaren Laserinduzierten Fluoreszenz V. Kapoustina, N. Riecker, M. Rädle, Institut für Prozessmesstechnik und innovative
Energiesysteme, Hochschule Mannheim; J.-U. Repke, Institut für Thermische
Verfahrenstechnik, Umwelt- und Naturstoffverfahrenstechnik, TU Bergakademie
Freiberg
Zur Auslegung von Packungskolonnen für Destillations- und Absorptionsprozesse ist
die Kenntnis der stattfindenden Stofftransportvorgänge essentiell. Gleichzeitig sind
diese nach heutigem Stand der Technik noch unzureichend erforscht. Der
Hauptgrund liegt darin, dass der messtechnische Zugang zur Erfassung lokaler
Stofftransportgrößen schwierig und die benötigte Messtechnik noch stark limitiert ist.
Im Rahmen des Projektes wurde die in vorangegangenen eigenen Arbeiten1
dargestellte nicht-invasive Planare Laserinduzierte Fluoreszenz (PLiF)-Technik
weiterentwickelt, welche in Kombination mit dem Fluoreszenzquenching eines
geeigneten Stoffsystems die ortsaufgelöste Charakterisierung des Eindringverhaltens
einer Gaskomponente (Sauerstoff) in eine flüssige Filmströmung (d≈1mm) in Form
einer zweidimensionalen Gaskonzentrationsverteilung ermöglicht.
Es konnte bereits gezeigt werden, dass sich Mikrostrukturen, die auf einer ebenen
überströmten Oberfläche aufgebracht werden, beschleunigend auf die
Sauerstoffeinlösung in die Indikatorlösung auswirken2. In diesem Beitrag wird nun
das Hauptaugenmerk auf die Auswirkung von systematischen Prozessvariationen
hinsichtlich des lokalen Gastransports untersucht. Aus dem möglichen Parameterfeld
erschienen die Skalierung des Volumenstroms und der Viskosität der Flüssigkeit und
damit die unterschiedlichen Reynoldszahlen, Schichtdicken und lokalen
Verwirbelungen als günstigste Prozessgrößen, um Erkenntnisse über den
Sauerstofftransport in gestörten Rieselfilmen zu gewinnen. Die Ergebnisse dieser
Messungen werden vorgestellt und sollen zum erweiterten Verständnis von
Stofftransportvorgängen in Filmströmungen beitragen.
1 Kapoustina, V., Rädle, M., Repke, J.-U., 2014. Entwicklung einer orts- und zeitaufgelösten Laserinduzierten Fluoreszenztechnik zur Aufklärung des Gastransports im bewegten Flüssigkeitsfilm. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Extraktion (Fulda).
Kapoustina, V., Rädle, M., Repke, J.-U., 2014. Direct spatiotemporally resolved fluorescence investigations of gas transfer in liquid film flows. 10th International Conference on Distillation and Absorption (Friedrichshafen). 2 Kapoustina, V., Ross-Jones, J, Hitschler, M., Rädle, M., Repke, J.-U., 2015. Direct spatiotemporally resolved fluorescence investigations of gas absorption and desorption in liquid film flows. Chem. Eng. Res. Des. 99, 248-255.
Bestimmung fluiddynamischer Parameter in einer Packungskolonne mittels Computertomographie
S. Schug, W. Arlt
Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik, Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Das Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe verlässlicher in-situ Messungen des
Strömungsverhaltens und der Flüssigkeitsverteilung in einer Packungskolonne die
Modelle für die Vorhersage fluiddynamischer Eigenschaften zu verbessern und
dadurch letztendlich bestehende Prozesse zu optimieren.
Die Versuche werden mit einem speziell für verfahrenstechnische Anwendungen
ausgelegten Computertomographen (CT) durchgeführt, bei dem die Untersuchung
von vertikalen Objekten möglich ist, ohne dass dabei das Messobjekt bewegt werden
muss, da der Detektor und die Strahlenquelle um die feststehende Kolonne rotieren.
Auf Grund der hohen örtlichen (80 µm) und zeitlichen (1000 Projektionen pro
Sekunde) Auflösung bei ca. 100 mm dicken Objekten können fluiddynamische
Parameter innerhalb der Packung mit einer hohen Präzision abgebildet werden.
Messwerte für die Stoffaustauschfläche, den Flüssigkeitsinhalt und die Filmdicke der
Flüssigkeit auf der Packung können direkt aus den an verschiedenen
Höhenpositionen aufgenommenen CT-Bildern bestimmt werden. Für die Auswertung
werden die Bilder mittels Matlab segmentiert, so dass alle auftretenden
Komponenten und Phasen in einem spezifischen Grauwert dargestellt werden.
Die Versuche wurden in einer DN 100 Glaskolonne mit einer Packungshöhe von
1000 mm durchgeführt. Als Packungen standen fünf verschiedene Typen der Sulzer
Mellapak500.Y mit verschiedenen Oberflächenmodifikationen zur Verfügung. Um
den Einfluss der Stoffeigenschaften der Flüssigphase auf die Fluiddynamik zu
untersuchen, wurden die Versuche zum einen mit Wasser und zum anderen mit
Dichlorbenzol bis zu einer Flüssigkeitsbelastung von 55 m3 m-2 h-1 durchgeführt. Der
F-Faktor wurde von 0 bis 2,5 Pa0,5 bzw. bis zum Flutpunkt variiert und der Einfluss
des Luftgegenstroms auf die Flüssigkeitsverteilung und die Strömungsmorphologie
beurteilt. Die erhaltenen CT-Bilder sind in flächengleiche Kreisringe unterteilt worden,
um die radiale Verteilung der Flüssigkeit zu bestimmen. Weiterhin wurden
3D-Ansichten kurzer Packungsabschnitte erzeugt, um eine qualitative Aussage über
das Strömungsverhalten der Flüssigkeit auf der Packung zu treffen.
Untersuchung von Druckverlust, Hold-up und Phasengrenzfläche für strukturierte Packungen mittels numerischer Simulationen
A. Olenberg, E.Y. Kenig
Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn/Deutschland
Detaillierte Kenntnisse der Fluiddynamik von zweiphasigen Strömungen sind
wesentlich für eine optimale Auslegung von thermischen Trennprozessen. Hierbei
besteht die Herausforderung in der Beschreibung diverser Strömungsformen (z.B.
Filme, Rinnsale und Tropfen) für komplexe Geometrien. Eine rein experimentelle
Untersuchung dieser lokalen Strömungsformen sowie deren Auswirkungen auf den
Prozess kann in der Regel nur durch aufwendige nicht-invasive und kostenintensive
Messmethoden realisiert werden, weswegen verstärkt auf numerische Methoden
gesetzt wird.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Fluiddynamik der flüssigen Phase in
strukturierten Faltblattpackungen mit Hilfe von CFD-Simulationen untersucht. Diese
wurden mit der kommerziellen Software Star-CCM+ durchgeführt, wobei die
Bewegung der Phasengrenzfläche mit der Volume-of-Fluid Methode beschrieben
wurde. Für die Nachbildung der Strömungsverhältnisse wurde die
Simulationsgeometrie, ausgehend von zweidimensionalen Filmströmungen auf
geneigten Platten bis hin zu dreidimensionalen repräsentativen Packungselementen,
sukzessiv aufgebaut. Für alle Simulationsgeometrien wurde ein gleichmäßig
verteiltes Flüssigkeitsprofil nach der Nusselt‘schen Wasserhauttheorie am
Eintrittsrand aufgegeben.
Die Simulationsergebnisse erfassen den Zusammenhang von Hold-up und
Phasengrenzfläche in Abhängigkeit von der Flüssigkeitsbelastung. Weiterhin wurden
die Grenzflächenspannung und der fest/flüssig Kontaktwinkel variiert und die damit
einhergehende Ausbildung der Strömungsformen untersucht. In Übereinstimmung
mit den Erkenntnissen aus [1] konnte simulativ ein erhöhter Hold-up in Form von
Flüssigkeitszwickeln an den Kontaktpunkten der strukturierten Packungen
nachgebildet werden, und es wurde ebenfalls gezeigt, dass sich bei kleineren
Kontaktwinkeln eine insgesamt größere Phasengrenzfläche ausbildet. Die
Ergebnisse der Simulationen sowie die Visualisierung der Phasengrenzfläche
können für eine Weiterentwicklung von strukturierten Packungen genutzt werden. [1] Bradtmöller, C., Janzen, A., Crine, M., Toye, D., Kenig, E.Y., Scholl, S., Influence of viscosity on liquid flow inside structured packings, Ind. Eng. Chem. Res. 54: 2803-2815, 2015.
Entwicklung einer miniaturisierten Versuchsanordnung zur Analyse der Fluiddynamik in strukturierten Packungskolonnen
Mark Hapke, Ruhr-Universität Bochum, Bochum/Deutschland; Johannes Sacher, TU
Bergakademie Freiberg, Freiberg/Deutschland; Prof. Marcus Grünewald, Ruhr-
Universität Bochum, Bochum/Deutschland; Prof. Jens-Uwe Repke, TU
Bergakademie Freiberg, Freiberg/Deutschland
In der destillativen und absorptiven Trennung fluider Stoffströme besitzen
strukturierte Packungen eine herausragende Bedeutung. In der Auslegungspraxis
industrieller Packungskolonnen sind allerdings noch immer Technikumsversuche und
bei der anschließenden Auslegung große Sicherheitsaufschläge notwendig, was
letztlich mit erhöhtem Aufwand und Kosten verbunden ist.
Die Forschungsvision des bilateralen DFG-Projektes ist es, miniaturisierte
Versuchsanordnungen zu entwickeln und zu nutzen um bzgl. eines Stoffsystems und
Packungstyps eine einfachere und sicherere Auslegung industrieller Kolonnen zu
ermöglichen. Hierzu soll eine Minimalzahl von Packungsblechen genutzt werden, um
das Zweiphasenströmungs- und Stoffübertragungsverhalten in strukturierten
Packungen zu charakterisieren. Das Forschungskonzept (Abbildung 1) beinhaltet,
dass die minimal komplexe und notwendige Blechkonfiguration auf Basis von
Experimenten unterschiedlichen Maßstabs ermittelt werden soll.
In den aktuellen Forschungsarbeiten wird diese Idee verfolgt und zunächst die
Fluiddynamik betrachtet. Es wird die hydrodynamische Charakterisierung einer
rechteckigen Absorptionskolonne bei kontinuierlicher Verringerung des Querschnitts
vorgestellt. Neben der Art der Flüssigkeitsaufgabe soll insbesondere der Einfluss der
Packungsstruktur auf hydrodynamische Kenngrößen diskutiert werden. Des Weiteren
werden Holdup- und Druckverlust-Messungen an einfachen Blechgeometrien
präsentiert, worin experimentelle Betrachtungen isolierter grundlegender Effekte
dargestellt werden. Die Messungen umfassen u.a. die Filmströmung am einzelnen
ebenen Blech mit Mikrostruktur. In einem nächsten Schritt sollen die Messergebnisse
zusammengeführt werden und die minimale Versuchsanordnung ermittelt werden,
mit welcher eine Übertragung auf das Verhalten von strukturierten Packungen in
einen größeren Maßstab möglich ist.
Im Rahmen des Beitrages sollen das Forschungskonzept und erste Ergebnisse des
bilateralen DFG-Projektes diskutiert werden.
Abbildung 1: Vergleich der Messergebnisse von Blechkonfigurationen unterschiedlicher Komplexität
und Identifizierung der minimalen Versuchsanordnung, welche eine Übertragung auf das
Strömungsverhalten einer Packungskolonne erlaubt.
Experimentelle Untersuchung der Flüssigkeitsverteilung in Füllkörperpackungen
mit verschiedenen Nenngrößen und Kolonnendurchmessern
Florian Hanuš1, Jose Luis Solà Cervera2,
Karin Hoffmann2, Sebastian Rehfeldt1, Harald Klein1 1Technische Universität München, Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik,
Garching/Deutschland; 2RVT Process Equipment GmbH, Steinwiesen/Deutschland
Das Phänomen der Maldistribution beschreibt die ungleichmäßige Verteilung der
Flüssigkeit in Packungskolonnen. Je nach Ausmaß kann diese eine Abnahme der
Trennleistung zur Folge haben. Bei der Auslegung ist deshalb eine umfassende
Kenntnis der Flüssigkeitsverteilung in einer Packung notwendig.
Zusätzlich zur Untersuchung des Einflusses der Betriebs-
parameter Berieselungsdichte und Gasbelastung auf die
Flüssigkeitsverteilung werden im Rahmen des Projekts
„Zellenmodell zur Auslegung von Packungskolonnen und
Flüssigkeitsverteilern“ auch die Aspekte Struktur der Füll-
körper sowie Anlagengeometrie betrachtet. Dazu werden
unterschiedliche Füllkörpertypen verschiedener Nenn-
größen sowohl in der Ø1200 mm-Kolonne an der
Technischen Universität München als auch in einer
Ø2000 mm-Kolonne bei der RVT Process Equipment
GmbH untersucht.
Einerseits kann somit der Einflussparameter Nenngröße isoliert betrachtet werden.
Andererseits lässt sich für einen Füllkörpertyp der Einfluss des Kolonnen-
durchmessers untersuchen. Darüber hinaus können Erkenntnisse über das Ver-
hältnis von Kolonnendurchmesser zu Nenngröße des Füllkörpers, das häufig bei der
Kolonnenauslegung herangezogen wird, gewonnen werden.
Auch mit Blick auf die Verwendung der Messdaten zur Validierung des WelChem-
Zellenmodells [1] ist diese Betrachtung notwendig. Bei der Verwendung der Mess-
ergebisse von nur einer Versuchsanlage besteht die Gefahr, dass die Anpassung der
Modellparameter durch anlagenspezifische Parameter beeinflusst wird. Dies soll
durch die Variation der Anlagengeometrie verhindert werden.
[1] A. Wild, V. Engel, F. Hanuš, S. Rehfeldt und H. Klein, Chem. Ing. Tech. 2015, 87, No. 8, 1103.
Untersuchung und Modellierung der Flüssigphasenverteilung in Füllkörperkolonnen
Felix van Holt, und Marcus Grünewald, Ruhr Universität/Lehrstuhl für
Fluidverfahrenstechnik, Bochum/Deutschland;
Füllkörper- und Packungskolonnen sind in der Verfahrenstechnik die am häufigsten
eingesetzten Apparate für Trennaufgaben. Im Rahmen der Absorption werden die
Gas- und Flüssigphase i.d.R. im Gegenstrom gefahren. Signifikanten Einfluss auf die
Betriebsparameter besitzt die Verteilung der Gas- und Flüssigphase.
Zur Bestimmung der Phasendistribution in Packungen und geordneten Schüttungen
kommt der Gittersensor (engl. The capacitive wire-mesh sensor. Abkürzung: WMS)
zum Einsatz, welcher im Jahre 1998 am FZD (Forschungszentrum Dresden-
Rossendorf e.V.) entwickelt wurde. Zwei parallele Ebenen matrixförmig angeordneter
Messelemente werden in geringen Abstand (bzgl. Kolonnenhöhe) zueinander
angeordnet. Die Messung der Kapazität oder der Leitfähigkeit, zwischen den
Ebenen, ermöglicht die Phasenverteilung über den Querschnitt mit hoher räumlicher
und zeitlicher Auflösung darzustellen.
Der Gittersensor basiert auf der Sende- und Empfängerfunktion der beiden aus
Drahtelektroden bestehenden Ebenen. Die Sendeelektroden, die
Empfängerelektroden und die Strömungsrichtung stehen immer senkrecht
aufeinander. Die 32x32 Drähte je Ebene bilden ein Gitter, wobei jede Kreuzung ein
Messpunkt darstellt. Es resultiert eine matrixförmige Anordnung der Messpunkte.
Eine Computerbasierte Visualisierung des Strömungsfeldes sowie aufgenommene
Daten dienen der Auswertung.
Weiterhin wird ein Zellenmodell entwickelt, welches einen stärker
phänomenologischen Ansatz verfolgt. Hierbei sind insbesondere die Wahrnehmung
des Zellenvolumens, Strömungsimpulse und die Einteilung in Wand- und Kernfluss
zu nennen.
In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse aus eigenen Messungen an einer DN
300 Kolonne mit Traceraufgaben vorgestellt und diskutiert. Weiterhin soll das
entwickelte Modell mit ersten Messergebnissen verglichen werden.
Übertragbarkeit von Trennleistungsmessungen für Packungen im Bereich der Rektifikation: Validierung eines reduzierten
Stofftransportansatzes Christoph Ehlers, Evonik Technology & Infrastructure GmbH, Marl/Deutschland Christoph Hiller, Evonik Technology & Infrastructure GmbH, Marl/Deutschland
Armin Rix, Evonik Technology & Infrastructure GmbH, Marl/Deutschland Georg Fieg, Technische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg/Deutschland
Bei der Planung industrieller Rektifikationskolonnen ist die Frage nach der genauen
Trennleistung einzusetzender Packungen in vielen Fällen essentiell. Eine deutliche
Überdimensionierung ist nicht nur vom ökonomischen Standpunkt aus zu verhindern.
Auch zusätzliche technische Randbedingungen (wie z.B. Höhen- oder Druckverlust-
limitierungen) können es erforderlich machen, eine Kolonne in ihrer Trennleistung
möglichst präzise auszulegen. Dabei besteht das Problem, dass der häufig mit
Standardtestsystemen ermittelte HETP-Wert keine konstante Eigenschaft der
jeweiligen Packung ist. Die Frage, wie Ergebnisse von Standardtests bestmöglich auf
reale Prozesse übertragen werden können, ist bis heute in Klärung.
In diesem Vortrag wird ein mathematisches Modell nach dem Stofftransportansatz
vorgestellt, welches auf Vorschlägen von Ronge [1] beruht. Dieses Modell wurde von
Ehlers und Fieg [2] modifiziert und für verschiedene Hochleistungspackungen der Fa.
Julius Montz angewendet. Dabei zeigt sich, dass das Modell angepasst an eine
geringe Zahl experimenteller Ergebnisse es erlaubt, den Einfluss sich ändernder
Drücke, Stoffsysteme und hydraulischer Belastungen auf die beobachtbare
Trennleistung zuverlässig vorherzusagen. In diesem Vortrag wird der genannte
Ansatz vorgestellt und dessen Vorhersagegüte anhand weiterer experimenteller
Ergebnisse für verschiedene Packungen verdeutlicht. Der Ansatz zeichnet sich
dadurch aus, dass durch den Verzicht auf die explizite Berücksichtigung des
flüssigkeitsseitigen Stofftransportwiderstands eine sehr einfache Gleichung mit nur
zwei empirischen Parametern zum Einsatz kommt. Diese können in der Praxis durch
den Abgleich mit Test- oder Betriebsergebnissen für verschiedenste Packungstypen
leicht ermittelt werden.
[1] Ronge G. Überprüfung unterschiedlicher Modelle für den Stoffaustausch bei der Rektifikation in Packungskolonnen. Düsseldorf: VDI Verlag; 1995.
[2] Ehlers C, Fieg G. Experimental validation of a flexible modeling approach for distillation columns with packings. AIChE J. 2014; 60: 3833-3847.
Peculiarities of structured packing performance at lowest operating pressures
Ž. Olujić1, T. Rietfort2, H. Jansen2
1TU Delft, Process & Energy Department, Delft, The Netherlands 2Julius MONTZ GmbH, Hilden, Germany
Removal of impurities, consisting of free fatty acids (FFA) and other valuable
components as well as contaminants from edible oils occurs on large scale by hot
steam stripping under deep vacuum conditions, where, because of a strong
deteriorating effect on separation, each Pascal of pressure drop counts. Similarly,
subsequent isolation and purification of individual FFA-s and other valuable thermally
sensitive components is carried out by rectification at as low as reasonable top of the
column pressure. Therefore, modern continuously operating deodorization strippers
and FFA distilling plants are mainly equipped with structured packings. Due to their
formidable performance characteristics (good wetting and lowest pressure drop per
equilibrium stage), high specific geometric area wire gauze structured packings are
preferred choice, which, however, because of a rather small hydraulic diameter, may
not be adequate when deep vacuum applications are considered. Another interesting
aspect is that advanced geometric features of high performance corrugated sheet
metal structured packings may not appear beneficial as generally believed in these
applications. Due to a relatively large pressure drop (in the range of, or larger than
the absolute pressure at the top of the column), operating conditions and
consequently both hydraulic and mass transfer performance differ strongly at the top
and the bottom of the bed. In order to arrive at an optimized design a tedious iterative
procedure is required. Established, purely empirical predictive models, do not
account properly for flow peculiarities of the prevailing flow regime. Namely,
ascending gas moves under laminar flow conditions. Being based on common
applications i.e. operating conditions where turbulent gas flow prevails, empirical
models tend to underestimate the pressure drop in deep vacuum applications. One
should note that a very low density gas ascends through a packed bed at a rather
high effective velocity and tends to follow the shortest, vertically oriented sinusoidal
flow path, which length exceeds the bed height, to the extent depending on the
effective gas flow angle. The latter does not necessarily coincide with the corrugation
inclination angle, and therefore needs to be determined for every type of structured
packing from the pressure drop measured under operating conditions. As shown
here, the effective gas flow angle may serve as single adjustable parameter in a
simple phenomenological pressure drop model, which enables a theoretically
founded approach to conceptual (re)design of packed columns for edible oil stripping,
FFA fractionation, and similar deep vacuum distillation applications.
"Feasibility Study" zur vergleichenden Ermittlung der Wirksamkeit von Stoffaustauschelementen mit Hilfe von O2-gesättigtem Wasser
Christian Matten, Dr. Hans-Jörg Zander, Linde AG, Pullach i. Isartal/Deutschland
Für die Auslegung von Absorptions- und Destillationskolonnen in der Industrie muss
u.a. das Stoffaustauschvermögen der verwendeten Kolonneneinbauten bekannt sein.
Insbesondere die Eigenschaften von neu entwickelten Kolonneneinbauten können
nur unzureichend vorausberechnet und nur im Rahmen experimenteller
Untersuchungen charakterisiert werden. Da experimentelle Untersuchungen zur
Trennwirksamkeit unter Bedingungen des realen Gemischs extrem teuer sind, behilft
man sich mit Relativbetrachtungen. Ausgehend von bekannten Elementen in
bekannten Systemen ist es ein praktikabler Weg, das Trennverhalten des bekannten
sowie des neuen Elements mit Hilfe eines Referenzsystems zu vergleichen. Hierzu
sind wertvolle Arbeiten geleistet worden, jüngst im Rahmen des IGF-Vorhabens
"Standardisierung von Stoffübergangsmessungen in der Absorption" (Nr. 17116 N).
Diese Methode muss und wird sich als Standard in der Branche etablieren. Da die
hier verwendeten Systeme (CO2, NaOH, NH3-Luft, H2SO4) in der Handhabbarkeit
nicht unproblematisch sind (Sicherheit, etc), soll mit vorliegendem Beitrag ein Weg
aufgezeigt werden, wie mit vergleichenden Wirksamkeitsmessungen Neuentwick-
lungen relativ schnell und preiswert auf experimentellem Weg eingeordnet werden
können.
Dieser Betrag zeigt die Möglichkeit auf, den Wirkungsgrad eines
Stoffaustauschelements dadurch zu ermitteln, dass man sauerstoffgesättigtes
Wasser mit Umgebungsluft strippt. Hierzu wird zunächst basierend auf der Definition
des Wirkungsgrads von Hausen eine rigorose Methode aufgezeigt, den
Wirkungsgrad bei der Strippung von sauerstoffgesättigtem Wasser durch gemessene
Parameter zu bestimmen. Anschließend werden Ergebnisse eines Laborversuchs
präsentiert sowie die Evaluierung zweier Messysteme vorgestellt und eine
Empfehlung abgegeben. Schließlich werden 2 Verfahrenskonzepte angeboten, mit
denen derartige Messungen vorgenommen werden können.
Posterprogramm
Influence of liquid properties on droplet hold-up and mass transfer in a DN 250 packed bed absorption column
F.Ortloff; F.Graf; T.Kolb, Engler-Bunte-Institute (EBI), KIT, Karlsruhe, Germany
At present, a new type of chemical scrubbing process is under development at EBI, applying mixtures of regular and chemically functionalized ionic liquids (IL) as absorption media for removal of CO2 from biogas. Besides the selection of appropriate ions in terms of CO2 solubility etc., a special focus of process development strategy lies on the adaption of process technology and operating conditions of the scrubbing process in order to gain maximum benefit out of the cost-intensive substances. Based on results of actual IL mixtures, first process modelling calculations indicate for significant energetic savings potentials (> 50 %) in comparison to state-of-the-art technologies. However, conventional solvents are widely applied as aqueous mixtures. IL, especially functionalized derivatives exhibit an increased viscosity, typically higher than water by a factor of at least 20. Therefore the typical application range of correlations for the prediction of mass transfer in packed bed absorption towers, e. g. Billet & Schultes1 or Mackowiak2 etc., is violated and applicability for viscous absorption media is uncertain.
Modern packing material features a lattice structure and is optimized for reduction of pressure drop but enhancement of mass transfer by droplet formation. In order to determine the effects of IL properties on liquid holdup and mass transfer, a technical scale column (DN 250), filled with Pall-, Ralu- and Raschig-Superrings (dN = 25 mm) was applied for experimental investigations. Within this setup, liquid hold-up was measured by two different methods: gravimetric and volumetric, offering an option to separate liquid holdup in rivulet/film and droplet fraction. Within the experimental work, various test liquids such as water, water+glycerol+SDS mixtures, gasoline, alcohols and hydraulic oils have been applied in order to ensure a widely independent variation of the liquid properties viscosity (0.001 < ηL < 0.065 Pas) and surface tension (0.028 < σL < 0.072 N/m). The conference contribution will contain latest experimental results, showing that droplet formation even occurs when highly viscous media are applied. The results further indicate that mass transfer is not exclusively affected by generation of additional surface area but also influenced by inner liquid circulation and droplet deformation potential, which is inhibited when media with low surface tension and high viscosity are applied.
1 Billet, R.; Schultes, M.: Trans IChemE 77 (1999), 498-504 2 Mackowiak, J.: Chem. Eng. Research and Design 89 (2011), 1308-1320
Voruntersuchungen zur computertomographischen Bestimmung von Mehrphasenströmungen in einer Packungskolonne
T. Linder, S. Schug, W. Arlt
Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik, Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Das Strömungsverhalten zweier wenig mischbarer Flüssigkeiten und einer Gasphase
in einer Packungskolonne, wie sie beispielsweise bei der Dreiphasenrektifikation
vorliegt, ist sehr komplex und in der Literatur nur wenig beschrieben. Die oft erhöhte
HETP solcher Kolonnen wird in der Regel nur empirisch verstanden. Ziel dieser
Arbeit ist es deshalb, die Flüssigkeitsverteilung und die Phasengrenzflächen in einer
Kolonne mit drei Phasen experimentell zu bestimmen und dadurch letztendlich das
Strömungsverhalten und den Stoffaustausch vorhersagen und optimieren zu können.
Der verwendete Computertomograph, welcher speziell für verfahrenstechnische
Anwendungen ausgelegt wurde, ermöglicht die Bestimmung lokaler Parameter unter
Prozessbedingungen ohne die Strömung hierbei zu beeinflussen. Die untersuchte
Packungskolonne muss dabei nicht bewegt werden, da der Detektor und die
Strahlenquelle auf variablen Höhenpositionen um diese rotieren. Die hohe örtliche
und zeitliche Auflösung der erzeugten CT-Querschnittsbilder und die Wahl
geeigneter Stoffe ermöglichen in Kombination mit den anschließenden
Bildverarbeitungsschritten mit ImageJ und Matlab eine präzise Bestimmung der
einzelnen Phasen in der gesamten Kolonne.
Vorversuche unter stationären Bedingungen haben ergeben, dass bei der
Verwendung von Wasser und 1,2-Dichlorbenzol eine eindeutige Zuordnung der
beiden Flüssigphasen, der Packung und der Gasphase auf den CT-
Querschnittsbildern möglich ist. Darauf aufbauend werden Versuche auf verschieden
oberflächenbehandelten Mellapak 500.Y der Firma Sulzer Chemtech AG in einer
DN 100 Glaskolonne bei einer Packungshöhe von 1000 mm durchgeführt. Hierbei
wird sowohl das Verhältnis der Flüssigkeitsbelastungen beider Phasen als auch die
Gesamtbelastung variiert. Dadurch ist die Quantifizierung der beiden flüssigen
Phasengrenzflächen und der Flüssigkeitsinhalte sowie deren Verteilung auf der
Packung in Abhängigkeit verschiedener Packungs- und Flüssigkeitsparameter
möglich. Erste Versuche werden ohne Gasgegenstrom durchgeführt.
Tomographische Untersuchung der Strömung in strukturierten Packungen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln
J. Steube1, D. Toye2, E.Y. Kenig1
1Universität Paderborn, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Paderborn, Deutschland 2Université de Liège, Department of Chemical Engineering, Liège, Belgien
In den meisten thermischen Trennprozessen werden zur Intensivierung des Wärme-
und Stoffaustausches zwischen Gas- und Flüssigphase Kolonneneinbauten
eingesetzt. Eine effiziente Art von Kolonneneinbauten sind strukturierte Packungen,
die sich durch einen niedrigen Druckverlust und eine hohe Trennleistung
auszeichnen.
Die Röntgentomographie stellt ein nicht invasives Analyseverfahren zur
Identifizierung des Strömungsverhaltens der Flüssigkeit im Inneren von strukturierten
Packungen dar. Mit diesem Verfahren können Anhand von Querschnittsbildern
typische Strömungsmuster abgebildet werden, ohne Einfluss auf die Strömung selbst
zu nehmen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Flüssigkeitsverteilung in einer DN100 Kolonne,
an der Universität Liège tomographisch untersucht. Als Flüssigphase wurden Wasser
und ein Wasser-Glycerin Gemisch gewählt, wobei die Viskosität der Flüssigkeit durch
Zugabe von Glycerin auf 20 mPas erhöht wurde. Da die Untersuchungen unterhalb
des Staupunktes durchgeführt wurden, ist der Einfluss der Gasphase im Gegenstrom
vernachlässigbar. Untersucht wurde der Packungstyp B1-250 der Firma Montz mit
den Neigungswinkeln 45°, 60° und eine in Kooperation mit dem Lehrstuhl für
Fluidverfahrenstechnik der Universität Paderborn entwickelte Packung mit einem
Neigungswinkel von 75°. Mit Hilfe der Querschnittsbilder wurden axiale
Kolonnenprofile für statischen und dynamischen Flüssigkeitsinhalt und effektive
Stoffaustauschfläche in allen Packungen bestimmt. Die Strömungsformen wurden
anhand von morphologischen Untersuchungen in drei Kategorien aufgeteilt: Filme,
Flüssigkeitszwickel an Kontaktstellen zwischen zwei Packungslagen sowie komplett
gefüllte Kanäle. Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden miteinander verglichen,
um den Einfluss des Neigungswinkels sowie der Anzahl der Kontaktpunkte zwischen
den Packungsblechen auf die Strömungsform zu bewerten.
Wärmeübergang beim Sieden an Stahlrohren von Reinstoffen und Gemischen
J. Addy, P. Bujok, B.C.F. Müller, Y. Wang, A. Luke
Fachgebiet Technische Thermodynamik – Universität Kassel
Prozessintegrierte Energieeffizienz in energie- und verfahrenstechnischen Anlagen wird nur mit neuen innovativen Apparatekonzepten gelingen. Da für diese noch keine hinreichenden Referenzanwendungen und Daten für die Auslegung und keine Nachweise zur Betriebssicherheit vorliegen, werden diese trotz großer energetischer Vorteile nicht angewandt. Daher hatten sich in einem Verbundvorhaben Industrieun-ternehmen (Apparatebauer, Anlagenbetreiber und Ingenieurbüros) und fünf Univer-sitäten zusammengeschlossen, um mit neuen Apparate- und Anlagenkonzepten nicht genutzte Potentiale zur Wärmeintegration zu erschließen. In diesen Zusam-menhang werden unterschiedlich strukturierte Rohre aus Baustahl und Edelstahl un-ter reproduzierbaren Bedingungen in siedenden Reinstoffen und Gemischen unter-sucht. Zunächst stehen Kohlenwasserstoffe und Kältemittel im Vordergrund. Zukünf-tig werden auch Alkohole sowie deren Gemische analysiert. Das Ziel des Vorhabens ist, Mikrostrukturen aufzuzeigen, die besonders effizient hin-sichtlich des Wärmeübergangs und mit relativ geringem Aufwand und in großer Stückzahl mit gleichbleibender Struktur zu fertigen sind. Ferner soll eine belastbare Datenbasis für die Auslegung von Verdampfern mit solchen Mikrostrukturen aufge-baut werden. Dafür wird besonders das beginnende Blasensieden in Abhängigkeit des siedenden Fluides und des jeweiligen Materials betrachtet, da dieses für die Aus-legung von Apparaten von Bedeutung ist. Im Vortrag wird der Einfluß von unterschieldich strukturierten Stahlrohren auf den Wärme-übergang beim Sieden in freier Konvektion in weiten Druck- und Wärmestromdichtenbereich behandelt. Die Ergebnisse an einem elektrisch beheiztem, horizontal ausgerichtetem Versuchsrohr aus Baustahl werden mit Korrelationen aus der Literatur verglichen. Insbesondere werden die unterschieldichen Rechenvorschriften zur Hysterese und zum beginnden Blasensieden diskutiert, da die Korrelationen in der Literatur diesbezüglich teilweise unklar formuliert und widersprüchlich sind oder für den Anwendungsfall nicht praktikal sind. Stichworte: Wärmeübergang, Behältersieden, Kohlenwasserstoffe, Rippenrohr, Rohrbündel
Potenzial der Vorwärtsosmose bei der Aufbereitung industrieller Abwässer
M.Sc. Judith Lorenz, Dipl.-Ing. Anita Haupt, Dr. André Lerch, Professur für Hydrover-
fahrenstechnik, Technische Universität Dresden, Dresden/Deutschland
Bei der Behandlung von industriellen Prozess- und Abwässern werden häufig druck-
basierte Membranverfahren eingesetzt, wobei unterschiedliche Anwendungen der
Ultra-, Mikro- und Nanofiltration sowie die Umkehrosmose dem Stand der Technik
entsprechen. Als innovatives Membranverfahren hat die Vorwärtsosmose das Poten-
zial zur energieeffizienten Behandlung von Wässern, da sie keinen technisch erzeug-
ten, sondern direkt die vorhandene osmotische Druckdifferenz zwischen Feed- und
Draw-Lösung als natürliche Triebkraft zur Überwindung von Strömungs- und
Membranwiderständen nutzt. Als nachteilig kann sich aber bspw. eine notwendige,
intensive Aufreinigung der Draw-Lösung erweisen. Dennoch erscheint dieses
Membranverfahren insbesondere zur weiteren Aufkonzentrierung von wässrigen
Produkt- und Abwasserströmen vielversprechend. Die Vorwärtsosmose wird bereits
erfolgreich in verschiedenen Wasseraufbereitungsverfahren wie bspw. der Meerwas-
serentsalzung eingesetzt. Allerdings gibt es bisher nur wenige Erkenntnisse zur Be-
handlung industrieller Wässer.
Im Rahmen einer Masterarbeit werden orientierende Untersuchungen im Labormaß-
stab mit verschiedenen Membrantypen und industriellen Wässern in Testzellenver-
suchen durchgeführt. Ziele der experimentellen Arbeit sind die Analyse und der Ver-
gleich des Betriebsverhaltens unter der Verwendung einer Natriumchlorid-Lösung als
Draw unter Berücksichtigung der Parameter transmembrane Druckdifferenz,
Permeatfluss, Filterwiderstand, Änderung der Konzentrationen bzw. Leitfähigkeiten in
der Feed- und Draw-Lösung, sowie der Einfluss von interner und externer Konzentra-
tionspolarisation. Verwendet werden neben kommerziell erhältlichen Vorwärts- und
Umkehrosmose-Membranen eine Aquaporin-basierte Vorwärtsosmose-Membran1,
welche vor allem einen niedrigen Salzrückfluss und eine hohe Selektivität verspricht.
Die Untersuchungen werden abschließend hinsichtlich der Eignung für den Einsatz in
der Industriewasserwirtschaft bewertet und Schlussfolgerungen bezüglich des Be-
darfs weiterer Untersuchungen bzw. Entwicklungen diskutiert.
1 Aquaporin InsideTM , www.aquaporin.dk/patents
Electrocoagulation and Membrane Filtration a Process to Treat Produced Water - Oil Industry Reality
Ing. Flávia Lima, Technische Universität Dresden, Dresden/ Germany
Dr-Ing. André Lerch, Technische Universität Dresden, Dresden/ Germany
The worldwide production of crude oil has reached over 14 thousand cubic meters
per day and for every cubic meter of oil that is produced, up to 11 cubic meters of
water confined in equilibrium with the hydrocarbons at the reservoir is also
produced.[1,2] During hydrocarbon production the produced water, also called
connate water, is in fact the highest volume of liquid waste handled by the industry,
so the treatment of this type of influent must have great attention due to
environmental concerns before it is discharged.
The regulations for produced water vary by country and usually require the
concentration of oil in water be in a range from 15 to 40 mg/L. Some proposed
regulations from organizations such as OSPAR (Oslo-Paris, Regional Convention to
protect the Norht-East Atlantic) have a goal of further diminishing the hazardous
chemicals from produced water by 2020 and are challenging the oil industry to
improve the treatment process currently in use.
The presented work will propose electrocoagulation followed by flotation and
membrane filtration as one process combination of choice, suitable to meet future
regulations while also considering the reality of the production on-site. This shows to
be very complex, often occurs in remote locations, can have difficult logistics, has
non-stop production, requires a small operational footprint, and allows only minimal
response time to the variation of influent to the system.
References: [1] BP , 2015. BP Statistical review of world energy-June-2015. United Kingdom.
[2] BP International Ltd. 2013. Water in the energy industry. [Accessed October 1,
2015]. http://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/sustainability/group-reports/BP-ESC-
water-handbook.pdf
Distillation Tray Efficiency Modeling: A Forgotten Chapter
Vineet Vishwakarma*1,2, Markus Schubert2, Uwe Hampel1,2
1Institut für Energietechnik, Technische Universität Dresden, Deutschland
2Institut für Fluiddynamik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Deutschland
*Contact information – [email protected], +49-351 2603778
Cross-flow trays are highly reputed among vapour-liquid contacting devices
due to their versatility. They have been into existence for two centuries; still the
estimation of their mass transfer efficiency relies mostly on experience. There have
been numerous attempts in the past to understand the nature of liquid mixing and
flow patterns on trays. However, very few have managed to relate their findings with
tray efficiency.
The present work aims at reviewing mathematical models developed for
predicting distillation tray efficiency. These models were developed by considering
simplified assumptions namely plug flow, uniform vapour composition, constant froth
height (refer to figure 1) etc. It is needless to mention the requirement of an improved
mathematical model accounting real flow scenarios. This work also attempts to
encourage the fraternity of fluid separation technology to revive the efficacy of tray
modeling.
Figure 1: Classification of tray efficiency prediction models
The financial funding from DAAD (ref. no. 91563198) is gratefully acknowledged.
Simulation und experimentelle Untersuchungen zur schonenden Aufarbeitung von Proteingemischen
J. Liang-Schenkelberg, T. Waluga, G. Fieg, Institut für Prozess- und Anlagentechnik,
Technische Universität Hamburg- Harburg, Am Schwarzenberg-Campus 4, D-21073
Hamburg
Proteine und Oligopeptide stellen einen Großteil neuer innovativer Arzneimittel dar,
wobei aufgrund der demographischen Entwicklung ein stark anwachsender Bedarf
abzusehen ist. Da Proteine durch fermentative Verfahren hergestellt werden, ist eine
aufwendige Aufreinigung unerlässlich, zumal das Arzneimittel am Ende in hoher
Reinheit vorliegen muss. Aufgrund der großen Empfindlichkeit von Proteinen
gegenüber thermischer, mechanischer und chemischer Belastung ist eine schonende
Aufarbeitung unerlässlich.
Die Aufreinigung und fluiddynamische Trennung von Proteinen lässt sich durch eine
Vielzahl verfahrenstechnischer Parameter verbessern, dazu zählen beispielsweise
Flussrate, pH-Wert, Ionenstärke, etc.. Hierfür ist in der Regel jedoch auch eine
entsprechende Vielzahl von Versuchen notwendig, was zu hohen
Entwicklungskosten führt. Hier bietet die statistische Versuchsplanung (Design of
Experiments) eine Möglichkeit den Aufwand in der Entwicklung zu reduzieren. Eine
weitere Möglichkeit ergibt such durch den Einsatz molekulardynamischer Methoden,
durch die sich ebenso zeit- und kostengünstig Vorhersagen zur effektiven
Aufarbeitung von Proteinen vorhersagen lassen.
Am Beispiel der Proteine bovines Serum Albumin (BSA) und bovines Hämoglobin
(bHB) werden Ergebnisse umfangreicher Simulationsstudien zur Auftrennung von
Proteinen an Ionenaustauschern in salzhaltigen, wässrigen Lösungen vorgestellt und
analysiert. Entsprechende experimentelle Untersuchungen zur Absicherung der
theoretischen Vorhersagen runden das Untersuchungsprogramm ab. Im letzten Fall
werden verschiedene verfahrenstechnische Parameter gezielt variiert, um eine
schonende Aufarbeitungsmethodik für Proteine vorherzusagen.
Vorgestellt wird ein ganzheitliches Konzept zur Entwicklung einer entsprechenden
Aufarbeitung von Proteinen unterstützt durch Simulationsstudien und experimentelle
Daten.
Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik Universität Paderborn www.uni-paderborn.de/fvt
Kontakt: B. Sc. Christian Wecker [email protected] +49 (0) 5251 / 60-2403
Prof. Dr.-Ing. Eugeny Kenig [email protected] +49 (0) 5251 / 60-2408
A
800mm
700mm
400mm
A
0.01
0.10
1.00
10.00
10 100 1000 10000
log
ζ Δp
[-]
log Re [-]
KPWÜStrömungRohr-Strömung
Druckverlustbeiwerte:
Re < 500 laminarer Bereich 500 < Re < 1000 Übergangsbereich Re > 1000 turbulenter Bereich
Annähernd glatter Übergang von 𝜻𝚫𝒑 aus dem laminaren in den turbulenten
Bereich üblicher Sprung in 𝜻𝚫𝒑, wie z.B. bei Rohren, nicht vorhanden
Der gesamte Re-Zahlbereich kann annähernd durch 𝜻𝚫𝐩~𝑹𝒆−𝟎,𝟗 beschrieben
werden
Numerische und experimentelle Untersuchung des Übergangsbereiches der einphasigen Strömung in Kissenplatten
C. Wecker, M. Piper, A. Zibart, E. Y. Kenig
Strömungssimulation
Experimenteller Aufbau
Simulationsumgebung: STAR-CCM+ (CD-adapco). Strömung: 3D, einphasig, inkompressibel, konstante Stoffdaten,
vollständig ausgebildet, turbulent und instationär. Turbulenz: Large Eddy Simulation (LES) mit WALE Modell [2]. Wandbehandlung: Aufgelöste Grenzschicht (𝑦+ < 1). Wärmeübergang: Grenzfall konstanter Wandtemperatur 𝜗𝑊𝑎𝑛𝑑 = const. Geometrieerstellung: mittels Verformungssimulationen [3].
Einleitung und Motivation
Kissenplatten-Wärmeübertrager (KPWÜ) bestehen aus druckgeformten Doppelplatten mit welligen Oberflächen, für welche der turbulente Strömungsbereich bereits in [1] intensiv untersucht wurde. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Untersuchung des noch unbekannten Übergangsbereichs, welcher derzeit eine Unsicherheit in der Auslegung von KPWÜ darstellt. Dieser ist bei anderen Geometrien, wie in Abb. 1 beispielhaft bei der Rohrströmung zu sehen, üblicherweise durch ein Minimum im Verlauf des Druckverlustbeiwerts charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit sollen numerische Strömungssimulationen zur Bestimmung des Druckverlustes und des Wärmeübergangs durchgeführt und durch experimentelle Untersuchungen validiert werden.
Danksagung
Unser Dank gilt der Fa. BUCO Laserplate GmbH für die finanzielle Unterstützung.
Abb. 2: Instationäre Geschwindigkeitsfelder bei den Zeitpunkten t=3.9/4.0/4.1 s im Thermoblechkanal bei z = 0 (Mittelebene).
𝒗 [m/s] 𝒙
𝒚
𝒙
𝒚
𝒙
𝒚
t=3.9s
t=4.0s
t=4.1s
Instationäre Fluidbewegung:
t=3.9s: „Ausschlag“ des Rückströmungsgebiets in negativer x-Richtung.
t=4.0s: Mittig liegende Rückströmungsgebiete.
t=4.1s: „Ausschlag““ des Rückströmungsgebiets in positiver x-Richtung.
Rückströmungsgebiete
fluktuieren mit einer Frequenz um 5 Hz.
Ansicht A-A
Experimenteller Aufbau eines transparenten Kissenplatten-Strömungskanals, wie in Abb. 5 dargestellt: 1. Kurzer ebener Ablaufkanal. 2. Transparenter Strömungskanal, bestehend
aus zwei gegossenen Elementen. 3. Langer ebener Einlaufkanal um eine
möglichst gleichmäßige und störungsfreie Flüssigkeitszufuhr zu gewährleisten.
Abb. 4: CAD-Darstellung des transparenten Strömungskanals inklusive Ein- und Auslaufbereiche
ṁAus
ṁEin, T=const.
1
2
3
Zusammenfassung und Ausblick
Es wurden LES-Simulationen für die einphasige Strömung in einer Kissenplatte durchgeführt.
Der laminar-turbulente Übergangsbereich wurde identifiziert und untersucht.
Die Stromlinien im transparenten Kanal werden mit Hilfe von „Tracerpartikel“ visualisiert.
Die Simulationen werden anhand der experimentell ermittelten Stromlinien und Druckverlustmessungen validiert.
Abb. 5: Ausschnitt der asymmetrischen Aluminium-Gussform
Aus Darstellungsgründen ist der untere Teil des Strömungskanals dunkel dargestellt.
Abb. 1: Druckverlustbeiwert über die Re-Zahl für die einphasige erwungene Konvektion in Kissenplatten.
Übergangsbereich KPWÜ-Strömung
Referenzen
[1] Piper, M., Zibart, A., Tran, J.M., Kenig, E.Y., Int. J. Heat Mass Transfer, 94 (2016), 516-527 [2] Fröhlich, J., Mellen, C., Rodi, W., Temmerman, L., Leschziner, M., J. Fluid. Mech., 526 (2005), 19-66 [3] Piper, M., Olenberg, A., Tran, J.M., Kenig, E.Y., Appl. Therm. Eng., 91 (2015), 1168-1175
0.1
1
10
10 100 1000 10000
Log
ζ Δp
[-]
Log Re [-] Abb. 3: Druckverlustbeiwert über die Re-Zahl im laminaren, Übergangs- und
turbulenten Bereich
𝜁Δ𝑝~𝑅𝑒−0,59 (laminar)
𝜁Δ𝑝~𝑅𝑒−0,12 (turbulent)
LES
RANS [1] DNS
Die Strömung im Übergangsbereich ist inhärent instationär. Turbulenzmodelle, die auf RANS basieren, sind häufig in diesem Bereich unsicher und ungenau. Die Verwendung einer Direkten Numerischen Simulation (DNS) erfordert eine hohe Rechenleistung. Daher wurde in dieser Arbeit eine LES-Simulation gewählt.
Erste Ergebnisse
Übergangsbereich Rohr-Strömung
Charakteristiken des Strömungskanals: Transparenter Kanal besteht aus
Polyurethan-Gießharz. Ränder des Kanals sind asymmetrisch
konstruiert (siehe Ansicht A-A), um eine seitliche Beleuchtung der mittleren Strömungsebene mittels eines Lasers zu ermöglichen.
Gussform aus Abb. 5 wird zur Herstel-lung der Kanalhälften verwendet.
Brechungsindizes von Gießharz und Fluid (wässrige NaSCN-Lösung) sind aufeinander abgestimmt.
Asymmetrische Ränder (nicht spiegelsymmetrisch)
Hydrodynamische Untersuchungen zum Einfluss der Querschnittsflächen eines rechteckigen Absorptionsmoduls
U. Kopner, S. Paul, S. Lier, M. Grünewald, Ruhr-Universität Bochum,
Bochum/Deutschland
Modulare Apparatekonzepte spielen in der Prozessentwicklung und -optimierung im
Bereich der Verfahrenstechnik aufgrund kürzer werdenden Entwicklungszeiten und
steigender Produktvielfalt eine immer größer werdende Rolle. Modulare Apparate
zeichnen sich vor allem durch Flexibilität im Hinblick auf die Kapazität und das
Produktportfolio aus. Durch eine Anzahlerhöhung (Numbering-up) von
Einzelmodulen in Parallelschaltung kann die Kapazität angepasst werden. Auf Grund
dieser Bauweise ist ein einfaches Scale-up bis zum Produktionsmaßstab mit der
Charakterisierung eines einzelnen Moduls möglich. Die verkürzten
Entwicklungszeiten im Vergleich zu konventionellen Anlagen können besonders bei
häufigen Produktwechseln in Mehrproduktanlagen von Vorteil sein.
Etablierte modulare Apparate wie Filterpressen oder Plattenwärmetauscher zeichnen
sich durch eine rechteckige Geometrie aus. Im Rahmen vergangener
Forschungsarbeiten wurden diese Konzepte auf den Absorptionsprozess im
konventionellen Technikumsmaßstab übertragen. Die Untersuchungen haben
gezeigt, dass die Ergebnisse von rechteckigen Einzelmodulen mit den Ergebnissen
konventioneller Anlagen vergleichbar sind. In welchen Grenzen die Vergleichbarkeit
eines rechteckigen Absorptionsmoduls mit konventionellen Kolonnen gegeben ist, ist
eine noch nicht beantwortete Fragestellung.
Die in diesem Beitrag vorgestellte Forschungsarbeit untersucht den Einfluss von
Querschnittsveränderungen auf die Phasenverteilung. Hierzu werden verschiedene
Tiefen eines rechteckigen Absorptionsmoduls hinsichtlich der Gleichverteilung der
Phasen untersucht. Ziel ist es, die Auswirkungen einer Verschmälerung des
rechteckigen Querschnitts auf die Gas- und Flüssigkeitsphasenverteilung zu
identifizieren. Des Weiteren werden Schlüsse auf geeignete Maße eines
Einzelmoduls hinsichtlich der Kapazitätsflexibilität getroffen, um so eine optimale
Breite der Einzelmodule zu finden.
Untersuchung eines Apparatekonzepts zur Erhöhung der Flexibilität von Rektifikationskolonnen
Mirvais Amirsad, Julia Riese, Marcus Grünewald, Ruhr-Universität Bochum, Bochum
Die produzierende Industrie in Deutschland ist mit zunehmend unsicheren
Randbedingungen in Bezug auf die Energie- und Rohstoffverfügbarkeit sowie der
Nachfrage konfrontiert. Dies gilt in besonderem Maße auch für die chemische
Prozessindustrie als eine der größten Industriebranchen mit hohem Energie- und
Rohstoffverbrauch. Eine Möglichkeit diesen Unsicherheiten entgegen zu treten ist es,
durch flexible Produktionsprozesse direkt darauf reagieren zu können. Diese
Flexibilisierung kann beispielsweise auf den Ebenen der Logistik, des Prozess oder
der Apparate erfolgen. Dabei ist der Betriebsbereich vieler Apparate für große
Schwankungen der Durchsatzmengen limitierend. Dies gilt vor allem für Apparate, in
denen der Stoff- und Wärmetransport an freien Phasengrenzflächen stattfindet. Mit
Hilfe geeigneter Apparatekonzepte kann dieser Limitierung begegnet werden.
In diesem Beitrag wird ein Konzept zur Erhöhung der Kapazitätsflexibilität von
Rektifikationskolonnen vorgestellt. Da der Betriebsbereich durch das Verhältnis
Flüssigkeits- und die Dampfbelastung limitiert ist, wird eine Kolonnenkonfiguration
aufgezeigt, die den trennoptimalen Durchsatz innerhalb des Belastungsbereiches
erweitert. Somit wird ein Betrieb der Rektifikationskolonne, auch bei schwankendem
Bedarf, im optimalen Bereich hinsichtlich des Stoff- und Wärmetransports auf jeder
Stufe der Kolonne gewährleistet.
Dazu wird der Entwurf eines Simulationsmodells auf Basis eines Radialstrombodens
mit Hilfe eines kommerziellen Simulationstools aufgezeigt. Die Adaption eines
Radialstrombodens als trennwirksame Einbauten führt zu einer internen
Segmentierung der Kolonne. Als Stoffgemisch wird ein binäres Stoffgemisch
gewählt, welches standardmäßig zur Charakterisierung verwendet wird. Die
Kolonnenkonfiguration wird mit Hilfe von stationären und dynamischen Simulationen
untersucht. Mit der stationären Simulation werden die Grenzen der Flexibilität
aufgezeigt. Nach dem Entwurf einer geeigneten Regelstrategie auf Basis
heuristischer Regeln wird mittels dynamischer Simulation unter anderem das
Anfahrverhalten der segmentierten Kolonne untersucht.
kontaktDECHEMA e.V.Nina WeingärtnerTheodor-Heuss-Allee 25 60486 Frankfurt am Main
Telefon: +49 69 7564-125Fax: +49 69 7564-176E-Mail: [email protected]