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Tomographische Messungen, Modellbildung und Berechnung der zweiphasigen Gegenströmung in strukturierten Packungen

 

Dr.-Ing. T. Loser

 

Strukturierte Packungen werden in zunehmendem Maße für die Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen in Absorptions- und Rektifikationsanlagen eingesetzt, welche mit großen Volumenströmen der gasförmigen und flüssigen Phase beaufschlagt sind. Obwohl derartige Packungen ursprünglich für den Vakuumbetrieb vorgesehen waren, wird in den letzten Jahren immer häufiger versucht, ihre für den Stoffaustausch vorteilhaften Eigenschaften auch in den Arbeitsbereichen zu nutzen, die für den Einsatz von Kolonnenböden charakteristisch sind. Hierbei ist es in Kolonnen mit großen Querschnitten zu unerwarteten Einbußen an Trennleistung gekommen. Diese werden auf Instabilitäten im Strömungsfeld zurückgeführt. Die Ursache für Strömungsinstabilitäten liegt darin, dass für solche Packungen Belastungsbereiche existieren, für die eine über den Querschnitt der Kolonne ungleich verteilte Strömung einen geringeren Druckverlust aufweist als eine gleichmäßig über den Querschnitt verteilte Strömung.

 

Um das makroskopische Strömungsfeld in Packungen berechnen zu können, wird die Packung in periodisch wiederkehrende Elementarzellen unterteilt. Die Bilanzgleichungen für die Masse und den Impuls werden für beide Phasenströme formuliert. Dabei wird der Impulstransport zwischen Gas, Flüssigkeit und Packung aus Messwerten für alle Koordinatenrichtungen modelliert.

 

Für die vertikale Koordinatenrichtung liegen bereits ausreichend Messwerte in der Literatur vor. Für die horizontalen Koordinaten sind eigene Messwerte notwendig. Dazu wird eine Versuchsanlage aufgebaut, mit der die Impulsübertragung zwischen den Phasen in horizontalen Koordinaten gemessen wird. Die gewonnenen experimentellen Ergebnisse werden durch numerische Berechnungen in der Elementarzelle ergänzt. Als Ergebnis wird für eine Elementarzelle eine Korrelation zwischen den mittleren Geschwindigkeiten und den Volumenanteilen der Phasen und dem Druckgradienten erhalten.

tomo_packung_loser.jpg

Bild1: Versuchanlage zur Messung der Impulsübertragung zwischen Gas, Flüssigkeit und Packung in horizontalen Koordinaten.

Mit Hilfe eines numerischen Strömungssimulationsprogrammes werden die Impulsbilanzgleichungen für den Packungsmaßstab gelöst. Dabei werden die Korrelationen für die Elementarzelle als Eingangsgrößen verwendet. Die numerische Lösung der Impulsbilanzgleichungen ergibt das makroskopische Strömungsfeld in Packungen und damit die Form eventuell auftretender Instabilitäten wieder. Daraus lassen sich Stabilitätskriterien für einzelne vorhersagbare Strömungsformen, Betriebsbereiche, Kennlinienfelder und Betriebsgrenzen herleiten.