Experimentelle Untersuchung der Flüssigkeitsmaldistribution in Packungskolonnen
Beschreibung
In Packungskolonnen tritt häufig eine ungleichmäßige Verteilung der Flüssigphase über den Querschnitt innerhalb der Packung auf, die als Maldistribution der Flüssigphase oder Flüssigkeitsmaldistribution bezeichnet wird. Diese Fehlverteilung hat meist einen negativen Einfluss auf die Trennleistung einer Kolonne, was zusammen mit der schlechten Vorhersagbarkeit der Flüssigkeitsverteilung ein erhebliches Problem bei der Auslegung darstellen kann. Dies führt dazu, dass in der Industrie oftmals Bodenkolonnen eingesetzt werden, obwohl Packungskolonnen aus verfahrenstechnischer Sicht besser geeignet wären.
Aus diesem Grund existieren zahlreiche Methoden zur Messung der Flüssigkeitsverteilung in Packungskolonnen [1]. Am Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik existiert eine Packungskolonne in welcher die Temperatur der Flüssigkeit innerhalb der Packung mit Thermoelementen gemessen wird. Die Thermoelement-Kolonne wird mit dem Stoffsystem warmes Wasser/Luft betrieben. Es wird dabei ausgenutzt, dass der Stoffübergang des hier vorliegenden Kühlturmprozesses mit einer merklichen Temperaturänderung verbunden ist. Die gemessenen Temperaturen stellen ein Maß für den lokalen Stoffübergang dar, die eigentlich interessante Größe bei der Maldistribution in Packungskolonnen.
Die Kolonne besitzt einen Durchmesser von 0,634 m bei einer maximalen Packungshöhe von 6,82 m und besteht aus insgesamt 11 transparenten Kunststoffschüssen und 12 Messflanschen. In jedem Messflansch finden sich 61 Thermoelemente, angeordnet in einem regelmäßigen Raster aus gleichseitigen Dreiecken. Dies ergibt insgesamt 732 Messstellen innerhalb der Packung. Visualisiert wird die Maldistribution mittels Isothermen-Darstellungen. Ist die Flüssigkeit gleichmäßig über den Querschnitt verteilt, ist dies an horizontalen Isothermen zu erkennen. Je stärker die Maldistribution ausgeprägt ist, desto stärker gekrümmt sind die Isothermen.
Der Vorteil der Methode der Temperaturmessung ist es, dass Erkenntnisse zum lokalen Stoffübergang in der Packungskolonne gewonnen werden können. Im Vergleich dazu kann z.B. mit Flüssigkeitssammlern lediglich die Flüssigkeitsverteilung in der Packung analysiert, aber keine Auswirkungen auf den lokalen Stoffübergang ermittelt werden. Die Ø0,634 m-Packungskolonne liefert somit wertvolle Experimentaldaten, welche zur Erweiterung und Validierung des TUM-WelChem-Zellenmodells [2] hinsichtlich des Stoffübergangs verwendet werden.
[1] Hampel, U.; Schubert, M.; Döß, A.; Sohr, J.; Vishwakarma, V.; Repke, J.; Gerke, S.; Leuner, H.; Rädle, M.; Kapoustina, V.; Schmitt, L.; Grünewald, M.; Brinkmann, J.; Plate, D.; Kenig, E.; Lutters, N.; Bolenz, L.; Buckmann, F.; Toye, D.; Arlt, W.; Linder, T.; Hoffmann, R.; Klein, H.; Rehfeldt, S.; Winkler, T.; Bart, H.; Wirz, D.; Schulz, J.; Scholl, S.; Augustin, W.; Jasch, K.; Schlüter, F.; Schwerdtfeger, N.; Jahnke, S.; Jupke, A.; Kabatnik, C.; Braeuer, A.; D'Auria, M.; Runowski, T.; Casal, M.; Becker, K.; David, A.; Górak, A.; Skiborowski, M.; Groß, K.; Qammar, H.: Recent Advances in Experimental Techniques for Flow and Mass Transfer Analyses in Thermal Separation Systems. Chem. Ing. Tech. 2020, 92(7), 926-948. https://doi.org/10.1002/cite.202000076.
[2] Hanusch, F.; Kender, R.; Engel, V.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: TUM–WelChem cell model for the prediction of liquid distribution in random packed columns. AIChE Journal, 2019, e16598. https://doi.org/10.1002/aic.16598
Winkler, T.; Klein, H.; Rehfeldt, S.: Experimental investigation of liquid maldistribution in random packed columns using temperature measurements. Chemical Engineering Science 249, 2022, 117350 mehr…
Winkler, T.; Klein, H.; Rehfeldt, S.: Investigation of Liquid Maldistribution in a Random Packed Column Operated as a Cooling Tower. 12th international conference on Distillation & Absorption (D&A), 2022 mehr…
2021
Winkler, T.; Klein, H.; Rehfeldt, S.: Gekoppelte Untersuchung der Flüssigkeitsmaldistribution und des Stoffübergangs in Füllkörperkolonnen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Wärme- und Stoffübertragung, 2021 mehr…
2020
Brinkmann, J.; Grünewald, M.; Winkler, T.; Rehfeldt, S.; Klein, H.: Modellierung und Messung der Flüssigkeitsmaldistribution und deren Auswirkungen auf den Stoffübergang in Packungskolonnen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Fluidverfahrenstechnik, 2020 mehr…
Winkler, T.; Rehfeldt, S.; Klein, H.; Brinkmann, J.; Grünewald, M.: Messung und Modellierung der Flüssigkeitsmaldistribution und deren Auswirkungen auf den Stoffübergang in Packungskolonnen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Fluidverfahrenstechnik, 2020 mehr…
