PROGRAMM,TEILNEHMERLISTE UND KURZFASSUNGEN

16. – 17. März 2016Mercure Hotel Garmisch Partenkirchen

Jahrestreffen der ProcessNet Fachgruppe Fluidverfahrenstechnikwww.processnet.org/fvt2016

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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 – v.vishwakarma@hzdr.de, +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 cwecker@mail.upb.de +49 (0) 5251 / 60-2403

Prof. Dr.-Ing. Eugeny Kenig eugeny.kenig@upb.de +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: weingaertner@dechema.de