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TropfengroOe und -geschwindigkeit an Rotationszerstaubern unter Berucksichtigung der Luftreibung

- D I P L . - I N G . M K O C H . P R O F . D R . T E C H N . P . W A L Z E L

Lehrstuhl fur Mechanische Verfahrenstechnik und Apparate- technik, Universitat Essen, UniversitatsstraRe 15, D-45117 Essen.

Bei Rotationszerstaubern erfolgt das Zerteilen der Flussigkeit je nach Betriebszustand nach verschiedenen Mechanismen. Ahnlich wie im Schwerefeld an der waagerechten Unterkante uberstromter Korper kann Abtropfen, Fadenzerfall und bei rotie- renden Scheiben auch Lamellenzerfall auftreten.

Beim Fadenzerfall treten besonders enge Tropfengro- Benverteilungen auf, daher ist dieser Zerfallsmechanismus von be- sonderem technischen Interesse. Eine Analyse des Zerfallsvor- gangs von Flussigkeitsfaden im Schwerefeld wurde bereits vorge- nommen. Es stellt sich die Frage, ob die vorliegenden Erkenntnisse auf das Zentrifugalfeld ubertragbar sind, wenn man in den Rechen- modellen die Erdbeschleunigung g durch die Zentrifugalbeschleu- nigung a, = R w2 am augeren Zerstauben-and ersetzt.

Obwohl die Beschleunigungswirkung nach dem Ablo- sen vom Zerstauber verschwindet, verbleibt auf Grund der diver- genten Flugbahnen der zu verschiedenen Zeiten und Orten emit- tierten Flussigkeitselemente eine Dehnung in den Flussigkeitsfa- den, die der Zentrifugalbeschleunigung proportional ist.

Das Abbremsen des Fliissigkeitsfadens im Umge- bungsgas reduziert die Strahldehnung. Die Bewegung der Flussig- keitselemente laBt sich gemaB beigefigter Abbildung mit verschie- denen Modellen beschreiben. Im Vergleich zur Rechnung fur den Zerfall linear und axial gedehnter Faden bei gleicher Beschleuni-

Abbildung. Relativbahnkurven von Flussigkeitselementen an einem Ro- tationszerstauber; a - Evolvente (vr = o), b - Relativbahn- kurven von Tropfen rnit Abbremsung im Gas (vr # 0). c - Flussigkeitsfaden mit Abbremsung irn Gas (v, # 0; dstrahl # konst.), A - MeBwerte.

00 30 1 1'' a Evolyente b - Tropfenrelativbahn I 25

20

E 15

i,

10

5

\ . dT =233pm I

, //\ c -Strahlablenkung d s , m = 302 wn

= I 0 mPa s (I = 62,5 rnN I m n = 39 s-'

d - Messwerte dT = 216 prn

1 /'/

I

vu = 23,3 rn I s 0

0 5 I 0 15 20 25 30 x' (rnrn)

gung ergibt sich im Rotationsfeld ein rascherer Zerfall bzw. eine verkurzte Zerfallslange. Fur das in der Abbildung gezeigte Bei- spiel betragt die berechnete Zerfallslange I , = 22 mm, gemessen wurden jedoch I, = 8,5 mm. Gleichzeitig sind die berechneten TropfengroBen im Falle des Fadenzerfalls um ca. 30 % kleiner als die gemessenen.

Die in der Abbildung dargestellten Kurven a, b und c zeigen berechnete Koordinaten von Flussigkeitselementen im mit- rotierenden Koordinatensystem y', x' sowie Kurve d die gemesse- nen Werte. Wegen der im Vergleich zur Rechnung kurzeren Zer- fallslange entsprechen die Koordinaten der Kurve b noch am be- sten den gemessenen Relativbahnkurven. Die unregelmaRig ge- kriimmte Form der Flussigkeitsfaden 1aBt im untersuchten Be- reich auf einen deutlichen EinfluB der Umgebungsluft schlieBen.

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Dimensionierung liegender FlussiglFlussig-Abscheider mit Plattenei n ba uten

- L . S C H L I E P E R , A . P F E N N I G

Lehrstuhl fur Thermische Verfahrenstechnik der RWTH Aachen;

M . C H A T T E R J E E

FRANKEN FILTERTECHNIK KG, Hurth.

Die Trennung dispergierter flussiger Zweiphasensysteme stellt eine in der Verfahrenstechnik haufig angewandte Unit Operation dar. Ziel ist es, die disperse Phase, die in Form von Tropfen in der koharenten Phase vorliegt, abzuscheiden, um zwei einheitliche Phasen zu erhalten. In der praktischen Anwendung wird zwi- schen Schwerkraftabscheidern ohne und solchen rnit Einbauten unterschieden. Einbauten werden dabei gezielt als koaleszenzfor- dernde MaBnahme zur Erhohung der Trennleistung eingesetzt. Mittels zusatzlicher Koaleszenzhilfen wird eine Verringerung des Abscheidervolumens erreicht, was neben einer Platzeinspa- rung zu einem geringeren Gefahrdungspotential bei toxischen und bei feuergefahrlichen Stoffen fuhrt.

Die heutige Verfahrensenhvicklung strebt, getrieben von immer kurzer werdenden Enhvicklungszyklen und dem Zwang zur Kostensenkung, nach modellgestutzten Auslegungsme- thoden fur Prozesse und Apparate. Zur Zeit erfolgt die Auslegung von Abscheidern mit Einbauten jedoch vonviegend auf den Erfah- rungswerten von Experten. Um diese Lucke zu schlieBen, wird am Lehrstuhl fiir Thermische Verfahrenstechnik der RWTH Aachen an einer theoretisch basierten Methode zur Dimensioniemng von Abscheidern rnit Platteneinbauten gearbeitet, die auf dem be- wahrten Auslegungsmodell fur Abscheider ohne Einbauten nach

Um die Grundlage fur die Enhvicklung eines physika- lisch fundierten Modells zu schaffen, ist ein konsequentes Zusam- menwirken von Modellierung, Simulation und Experiment erfor- derlich. Letzteres wurde durch den Aufbau einer Abscheideranla- ge mit zwei Abscheidern im TechnikumsmaRstab gewahrleistet. Der gleichartige Aufbau der beiden Abscheider, die einen Durch- messer von 0,2 m bei einer Lange von 2 m besitzen, ermoglicht den

HE N S C H KE beruht.

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Abbildung. EinfluB der Plattenanzahl und des Dispersionsvolurnen- strorns auf die Abscheidelange eines Abscheiders rnit Plat- ten.

Planenabstand in mm 22 10 5

2.0 I 1

0 , 0 ' ~ " ' ~ " ~ ' ~ ' ' ' ' ~ " ' ~ " " ~ " " ' 0 5 10 15 20 25 30

Plattenanzahl in S%k

direkten Vergleich von Abscheidern rnit und ohne Platteneinbau- ten sowie die unmittelbare Beriicksichtigung der gewonnenen Er- kenntnisse im Modell.

Im Rahmen des bisherigen Versuchsprogramms wur- den die Stoffsysteme WasserICyclohexanon und Wasserln-Butan- 01 im Abscheider untersucht. Dabei wurden u. a. die EinfluRgroBen Gesamtvolumenstrom, Verhaltnis von wasseriger zu organischer Phase und Plattenabstand variiert. Als Ergebnis dieser Untersu- chungen konnte festgehalten werden, daR durch den Einsatz von Platteneinbauten eine Verkurzung der Abscheidelange bis zu 75 %, in der Regel aber um mindestens 50 % erreicht werden kann (s. Abb.).

Das entwickelte Modell erreicht eine Beschreibung des Sedimentations- und Koaleszenzverhaltens der realen Dispersion mittels eines Parameters, der aus einem einfachen Absetzversuch mit dem Originalstoffsystem ermittelt wird. Der EinfluR der Platten wird durch einen weiteren Parameter modelliert. Das Ziel der lau- fenden Arbeiten ist es, diesen Plattenparameter auf der Grundlage eines einfachen Vorversuches zu bestimmen, um eine effiziente Auslegung von Abscheidern mit Platteneinbauten zu ermoglichen.

stand aus experimentellen Untersuchungen und theoretischen Uberlegungen fuhrt zum MaRstabsubertragungskriterium des kon- stanten volumenspezifischen Leistungseintrages, wenn die gleiche spezifische Phasengrenzflache in Labor und Hauptausfuhrung er- zeugt werden soll. Heutigen Anspriichen wird diese 'Faustformel nicht mehr gerecht. So wird immer wieder von unzureichenden Trenngiiten bei auf dieser Basis ausgelegten Extraktionsprozes- sen in Mixer-Settler-Anlagen berichtet. Neben dem Tropfengro- Renspektrum im Ruhrbehalter spielt hier der Feinsttropfenanteil eine zunehmende Rolle. Wegen seiner geringen TropfengroBe (< 50 pm) sedimentiert dieser Anteil bei Dichtedifferenzen von ca. 200 kg/m3 in wal3rigen Losungen rnit Geschwindigkeiten unter 250 p d s . Bei gebrauchlichen Abscheiderbelastungen von 5 bis 30 m3/(m2 h) und ublichen Abscheiderlangen verbleiben diese Tropfen z. T. in der kontinuierlichen Phase als unerwiinschte Rest- triibe.

Im Rahmen dieses Projekts werden zum einen Mog- lichkeiten der ProzeRoptimierung durch gezielte Variation der Geometrie der Dispergierorgane uberpriift. ZielgroRe hierbei ist eine moglichst enge TropfengroRenverteilung mit niedrigem Feinsttropfenanteil. Zum anderen werden Untersuchungen durch- gefuhrt, die das Verstandnis der Vorgange und EinfluBparameter vertiefen, wie zum Beispiel durch Bestimmung der Ortsabhangig- keit der TropfengroRenverteilungen oder des Einflusses des Di- spersphasenanteils. Hiermit wird die Erarbeitung zuverlassiger MaRstabsubertragungsregeln ermoglicht.

Zur Vermessung der Tropfengrofienverteilung als der zentralen ProzeRgroRe hinsichtlich Stoffubergang und Sedimenta- tion/Koaleszenz wurde eine MeRtechnik basierend auf einem En- doskop enhvickelt. Damit ist es moglich, bei beliebigen Dispers- phasenanteilen in line TropfengroRen in einem Bereich von 30 bis 1000 pm direkt zu messen. Der Vergleich verschiedener Di- spergierorgane zeigt, daR bei gleichem spezifischen Leistungsein- trag Ruhrer rnit kleineren Newton-Zahlen auch kleinere Tropfen erzeugen. Ohne Betrachtung der Feinsttropfenproblematik Wiir- den diese Ruhrorgane die Forderung nach groRer Phasengrenzfla- che am besten erfullen. Die Feinsttropfenanalysen zeigen jedoch, daB ihr Anteil durch die hohen Ruhrerumfangsgeschwindigkeiten unverhaltnismaRig steigt, so daR bezuglich der Trenngute die Ruhrer mit hohen Newton-Zahlen im Vorteil sind.

Auch die Variation des Verhaltnisses zwischen Ruhrer- und Behalterdurchmesser verdeutlicht, daR der Feinsttropfenan- teil mit der Ruhrerumfangsgeschwindigkeit korreliert, was die be-

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geru hrter Flussig/Flussig-Systeme bei

- Abbildung. Disperg ieru ng U nd Phasentren nu ng Gernessene Anzahlsurnrnenverteilungen im logarithmischen

Wahrscheinlichkeitsnetz als Funktion der Ruhrerdrehzahl.

technisch relevanten Dispersphasen- anteilen

D I P L . - I N G . J . R I T T E R , P R O F . D R . - I N G . M . K R A U M E

Institut fiir Verfahrenstechnik. Sekr. MA 5-7, TU Berlin, StraBe des 17. Juni 136, D-10623 Berlin.

Steigende Anfordemngen (inner- und auRerhalb der Betriebe) an Produkte und Prozesse erfordern eine weitere Beschaftigung rnit geriihrten FlussiglFlussig-Systemen. Der derzeitige Wissens-

0,99 0,95

0.80 0,60 0.40 0,20

0.05 0 , O l

i - I I I I 100 1000

Tropfendurchmesser d, t ~ m l