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Tomographische Messung und Modellbildung der zweiphasigen Gegenströmung in strukturierten Packungen

 

 Dr.-Ing. Bastian Mahr

 

Strukturierte Packungen werden vermehrt an Stelle von Füllkörperschüttungen zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen verwendet. Sie kommen u.a. in Absorptions- und Rektifikationsanlagen oder in der Reaktivdestillation zum Einsatz. Bei hohen Volumen-strömen der Phasen werden in Kolonnen mit großen Querschnitten unerwartete Einbußen der Trennleistung bzw. des Umsatzes beobachtet. Diese werden auf Ungleichverteilungen der Phasen und Instabilitäten im Strömungsfeld zurückgeführt. Zur Untersuchung dieses Phänomens werden am Institut für Verfahrenstechnik Messungen der Flüssigkeitsverteilung mit tomographischen Verfahren durchgeführt. Mit Hilfe eines industriellen Röntgen-tomographen werden für stationäre Strömungsverhältnisse örtlich hochaufgelöste Bilder eines Kolonnenquerschnitts erhalten, aus denen die Phasenverteilung und die Filmdicke berechnet werden. Für transiente Strömungsverhältnisse muss jedoch ein Messverfahren mit höherer zeitlicher Auflösung verwendet werden. Die kapazititve Tomographie ermöglicht Aufnahmen der Flüssigkeitsverteilung mit einer hohen Frequenz, ihre örtliche Auflösung ist jedoch gröber. Durch das gleichzeitige Messen mit beiden Verfahren im gleichen Kolonnen-abschnitt können die Vorteile der hohen örtlichen und hohen zeitlichen Auflösung kombiniert werden. Insbesondere kann so das Messergebnis der kapazitiven Tomographie quantitativ überprüft und die Messtechnik sowie der Rekonstruktionsalgorithmus verbessert werden.

 

 

Bild 1: Kapazitive Tomographie: Flüssigkeits- Ungleichverteilung in einer monolithischen Packung

 

 

Bild 2: Röntgentomographie: Zunahme der Filmdicke bei steigendem Flüssigkeitsvolumenstrom in einer strukturierten Packung

 

 

Für die Berechnung des makroskopischen Strömungsfeldes 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. Die numerische Lösung der Impulsbilanzgleichungen ergibt das makroskopische Strömungsfeld in Packungen und gibt damit die eventuell auftretenden Instabilitäten wieder. Daraus lassen sich Stabilitätskriterien für einzelne vorhersagbare Strömungsformen, Betriebsbereiche und -grenzen herleiten.