Abb. 3. Radiale Temperaturprofile. Vo- lumendurchsatz : 2 mi/h ; Xylol-Eintritts- konzentration: 1 Mol.-%; Kiihlbadtempe- ratur: 385' C ; links: Katalysator-Anord- nung regellos; Mitte: Katalysator-Anord- nung versetzt ; rechts : Katalvsator-Anord-

Rodius [ m m I - nung fluchtend.

Ausbeuten, die bei versetzter Anordnung etwa auf die Halfte der Werte bei kleinen Durchsatzen zuriickgehen, wahrend die Ausbeute bei fluchtender Anordnung sogar geringfiigig zunimmt . Als Ma13 fur die Reaktorleistung ist in Tab. 1 jeweils die auf das Reaktorvolumen bezogene Raum-Zeit-Ausbeute an Phthalsaurean- hydrid angegeben. Die hochsten Werte bei der versetzten Katalysa- tor-Anordnung werden rnit einem Durchsatz von ca. 2 mi/h erreicht. Bei der fluchtenden Anordnung kann die Raum-Zeit-Ausbeute durch

Arbeit undder Chemischen Fabrik von Heyden fur die Bereitstellung der Katalysatoren.

Eingegangen am 12. August 1982 L K 5741

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Erhohen des Durchsatzes auf 3 mi/h erheblich gesteigert werden. Der Druckverlust ist dabei noch niedriger als in der mit 2 mi/h beaufschlagten konventionellen Katalysator-Schiittung.

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VEB-Verlag, Berlin 1952.

Theorie der nichtstationaren Diffusion zur Die Besonderheit dieser Extraktoren liegt darin, daR sie rnit beiden Phasen verhaltnismaRig hoch belastbar sind [4,6, 71. Sie lassen sich rnit der Modellvorstellung zur Flutpunktbestimmung nach Mers- mann sehr gut beschreiben [12]. Durch die regelma13ige Anordnung der Fullkorper wird einegleichmahge Verteilungder dispersen Phase erreicht, was die Vermischung besonders der kontinuierlichen Phase

Beschreibung der Wirksamkeit von Extraktionskolonnen mit geometrisch regelmaisig angeordneten Fullkorpern

Bialecki -Ring - h = d = 25mm h = d = 5 0 m m

Reinhard Billet und Jerzy Mackowiak*

Die Stoffaustauschvorgange in Extraktoren werden von Vermi- schungseffekten in der dispersen und in der kontinuierlichen Phase sowie von Grenzflachen-Erscheinungen begleitet, die ihre Projektie- rungerschweren. Der Diffusionseffekt beim Stofftransport kann z. B. in grol3en Extraktoren rnit rotierenden Einbauten vollstandig durch iiberlagerte Vermischung aufgehoben werden [l - 31. Die Hohe des Apparates wird dann nicht mehr durch Diffusion, sondern durch das Stromungsverhalten der beiden Phasen bestimmt . Auch Extraktions- kolonnen rnit regellos gepackten Fullkorpern unterliegen diesen Effekten. In jiingster Zeit wurde iiber Extraktoren in der Ausfiihrung als Rohrkolonne [4] mit regelmaDig eingesetzten Bialecki-Ringen sowie

Fullkorper berichtet [ 5 , 61. Diese metallischen, diinnwandigen Bialecki-Ringe sind in Abb. 1 a als Fiillung einer Rohrkolonne und in Abb. 1 b in Form einer Packung gezeigt.

a ) Rohre gefijllt - rnit Ringen

b) Packung 0"s

geordneten Ringen

iiber Extraktionskolonnen mit geordneten Packungen der gleichen 1

* Prof. Dr.-Ing. R . Billet und Dr.-Ing. J . MaCkowiak, Ruhr-Univ. Bochum, Institut fur Thermo- und Fluiddynamik, Lehrstuhl fur Thermische Stofftrennverfahren, UniversitatsstraBe 150, Geb. IB 5/151, 4630 Bochum.

Abb. 1. ne, b als Packung mit versetzten Ringen.

Ansicht der Bialecki-Ringe; a als Fiillungeiner Rohrkolon-

50 Chem.-1ng.-Tech. 55 (1983) Nr. 1, S. 50-52 0 Verlag Chemie GmbH. D-6940 Weinheim 1983 0009-286X/83/0101-0050$02.50/0

reduziert im Gegensatz zum Verhalten aller herkommlichen Fullkor- perkolonnen mit regellosen Schuttungen.

1 Hydraulische Merkmale

Der Fliissigkeitsinhalt x der dispersen Phase in der Rohr- bzw. regelmiiRig gepackten Kolonne 1st im praktisch interessanten Belastungsbereich lediglich eine lineare Funktion des spezifischen Durchsatzes uD der dispersen Phase bei gleichzeitig verschiedenen Durchsiitzen iic der kontinuierlichen Phase

.x = CUD. ( 1 )

Die Konstante Cist von der Art der Anordnung der Fiillkorper sowie von den physikalischen Eigenschaften des Systems abhangig. GI. ( I ) 1st erst nach Uberschreiten des Durchsatzes uber 6.5 bis 80% der Grenzbelastung, bei der Inversion der Phasen auftritt, nicht mehr erfullt. Unterhalb dieser Auslegebelastung wird der Tropfendurch- fluR durch die Stromung der kontinuierlichen Phase praktisch nicht behindert, d.h. der Flussigkeitsinhalt x ist bei gegebenem u, unabhiingig von uc. Somit ist die absolute Tropfengeschwindigkeit iD aufgrund der Gleichung

fur ic < U,, und rnit E als dem Luckenvolumen der Fullkorper gleich der relativen Tropfengeschwindigkeit uR

Diese fur Rohrkolonnen und fur regelmaRig gepackte Fullkorperko- lonnen typische hydraulische Charakteristik ist qualitativ in Abb. 2 wiedergegeben. Da der spezifische Durchsatz u c der kontinuierlichen und uD der dispersen Phase praktisch keinen EinfluR auf den Tropfendurchmes- ser haben. bleibt der mittlere Tropfendurchmesser d,, nach Sauter auch konstant, was durch die Auswertung fotografischer Aufnahmen der TropfengroBe bei der Untersuchung der Systeme Isobutanol/-. Tetrachlorkohlenstoff/-, Toluol/- und Petroleum/Wasser in Rohrko- lonnen rnit 25 und 50mm Rohrdurchmesser sowie in Kolonnen rnit gepackten metallischen Bialecki-Ringen mit 2.5 mm Hauptabmes- sung bestiitigt und mit der Gleichung

erfaRt wurde [4, 81. o bedeutet die Grenzflachenspannung in kg/s2, A @ die Dichtedifferenz zwischen der schweren und der leichten Phase in kg/m3 und g die Erdbeschleunigung in mjs'.

2 Stofftransport

Aufgrund umfangreicher Untersuchungen zum Stoffiibergang von der dispersen Phase D in die kontinuierliche Phase C rnit den nach Lewis klassifizierten stabilen Systemen [l 11 CCI,(D)-Essigsaure/ Wasser und Toluol(D)-Essigsaure/Wasser sowohl in einer aus sieben Rohren bestehenden Rohrkolonne als auch in einer regelmanig gepackten Fullkorperkolonne konnte die Anwendbarkeit der Theorie der nichtstationaren Diffusion auf Apparate rnit kurzen Kontaktzeiten nachgewiesen werden. Danach ergibt sich ein allgemeiner Zusammenhang [El zwischen der Fourier-Zahl

welche die nichtstationiire Diffusion kennzeichnet, und der Sher- wood-Zahl

Sh,= f l o d v s / D D (61

in Form der einfachen Beziehung

Sh, = 2,26/1/%, (7 1

welche dadurch zustande kommt, daR der Stoffiibergangskoeffizient j, in GI. (6) durch die aus der Penetrations-Theorie resultierenden Higbie-Beziehung

gegeben ist. Die Gultigkeit von CJI. (7) wurde in1 Bereich der Fourier- Zahl Fo, = (2 bis 15) ' mit einer Gendiiigkeit von i 1 5 % nachgewiesen [8]. In den Gln. ( 5 ) bis (8) bedeuten den mittleren

0, Y

Y

0 uc Soezitischer Ourchsotz der kontinuierlichen Phose

UD1 UD2 uo Spezilischer Ourchsalr uD der dispersen Phase

EXEz

Abb. 2. gepackten Fullkorperkolonne.

Hydraulische Charakteristik ... r Rohrkolonne bzw. der

Stoffiibergangskoeffizienten in m h , clvs den Sauter-Durchmesser der Tropfen in m nach GI. (4), Dr, den Koeffizienten der molekularen Diffusion in m2/s, hier z.B. Essigsaure in Toluol bzw. in CC1, als disperse Phase, und T die Kontaktzeit in s. Unter Kontaktzeit T oder ,,Lebenszeit" der Tropfen 1st die Zeit zu verstehen, in der die Tropfen durch denAufpral1 oder die Beruhrung rnit den metallischen dreieckigen Ausschnitten der Bialecki-Ringe koalesziert und danach wieder neu verteilt werden [6, 81. Der dabei zuriickgelegte Stromungsweg zwischen zwei Aufprallen wird Kon- taktstrecke I genannt und ist aufgrund der Modellvorstellung, die

Syst ToluollD)-EssigsoureIWorser.l bor. 293 K 0 50mm Bioleckt-Ring-Rohrkolonne .Metall

ds:0053rn.H=16m, ur=0.0048 m3/m2s

20

0 0 2.5 5 75 10 125

3 2 m

Abb. 3 . Stoffiibergang D + C in einer Rohrkolonne mit SO-mm- Bialecki-Ringen und in einer rnit 25-mm-Bialecki-Ringen gepackten Fiillkorperkolonne.

spezifischer Ourchsotz d u o I r n i m sl

51 Chern.-1ng.-Tech. 55 (1983) Nr. 1, S. 50-52

durch Experimente nachgewiesen wurde, rnit T durch die Beziehung

verbunden [8]. Substituiert man den Fliissigkeitsinhalt x rnit GI. (1 ), so erhalt man den einfachen Ausdruck

5 = c/E [S] (10)

fur die Kontaktzeit T, rnit der somit aufgrund hydraulischer Versuche auch die Systemkonstante C fur eine bestimmte Art und Anordnung der Fiillkorper bestimmt werden kann. Die Kontaktstrecke l ist eine konstruktive GroDe, die von der Ring- anordnung in der Kolonne abhangig ist, und laDt sich fur eine gewahlte Abmessung der Ringe einfach voraussagen. Fur die Rohrkolonne bzw. gepackte KolonnegeltendieinTab. 1 mitgeteilten

Tabelle 1. Kontaktstrecke l fur verschiedene Anordnungen metallischer Bia- lecki-Ringe in der Rohr- bzw. gepackten Kolonne.

Kolonnentyp

Rohrkolonne gefullt 0,025 0,0137 0,0137 rnit Bialecki-Ringen 0,025 0,025 0,0188

0,050 0,050 0,0375

Fiillkorperkolonne mit um 30 versetzten Bialecki-Ringen 0.025 0,025 0,050

Werte fur I [6, 81. Danach besitzt die 50-mm-Rohrkolonne eine kleinere Kontaktstrecke l als die rnit 25-mm-Ringen gepackte Kolonne. Deshalb ist auch die Trennleistung der Rohrkolonne besser als die der gepackten Kolonne, was am Beispiel der Trennung des

Systems Toluol(D)-EssigsaureiWasser aus Abb. 3. giiltig fur die Rohrkolonne und giiltig fur die gepackte Kolonne. hervorgeht. Die gepackte Kolonne 1st gegeniiber der Rohrkolonne jedoch hiiher belastbar, so daD die erforderlichen Kolonnenvolumina beider Kolonnen etwa gleich groR sind. Rohrkolonnen und gepackte Kolonnen oder eine Kombination a t i s beiden sind fur viele Extraktionen im technischen MaRstab einsetz- bar, insbesondereauch in Fallen. bei welchen die Extraktion mit einer Warmeiibertragung gekoppelt ist.

Eingegangen am 22. Januar 1982 [K546]

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Technische Stromungsiehre. Von W . Kulide. Verlag Carl Hanser GmbH & Co., Munchen - Wien 1980.5.,erw.Aufl., 252 S., 198Abb. u. 18 Tab., kart., D M 32,-.

Das vorliegende Buch ist als Einfiihrung in die Technische Stromungslehre gedacht. Nach Ausfiihrungen zur Hydrostatik und zuden Begriffen Kontinuitat und DurchfluB folgt die Behandlungder Stromung reibungsfreier Fliissigkeiten. Fur die Stromung realer Flussigkeiten wird zunachst der Viskositatsbegriff erklart und kurz aufdas FlieDverhalten Newtonscher und nicht-Newtonscher Flussig- keiten eingegangen. Gestreift wird das Problem der Stromungsablo- sung, die Grundlagen der Grenzschicht-Theorie werden angedeutet. Dann wird ausfuhrlich der Druckverlust bei laminarer und turbulen- ter Rohrstromung behandelt. Diese Ausfiihrungen werden erganzt durch Hinweise zur Stromung in nicht-kreisformigen Kanalquer- schnitten und zur Stromung bei Querschnitts- und Richtungsande- rung. Niitzlich sind hier vor allem die Diagramme rnit Widerstands- beiwerten fur die Durchstromung von Rohren und Kanalen unterschiedlicher Geometrie. Ausfuhrungen zur AusfluBstromung aus Behaltern und die Stromung in offenen Gerinnen schlieBen das Kapitel ab. Danach wird die Stromung kompressibler Fluide behandelt, wobei zunachst auf die Rohrstromung eingegangen wird. Die kritische und

die Schallgcschwindigkeit werden erkliirt. Fur viele technische Anwendungen interessant sind hier die Ausfiihrungen zur Stromung durch Spalte und Labyrinthe. Die vorliegende Neuauflage enthalt auch ein neues Kapitel uber Gasdynamik. Es werden die wichtigsten Beziehungen zur Berech- nung der Bewegung rnit Schall- und Uberschallgeschwindigkeit angegeben und die Diisenstromung sowie der Verdichtungsston behandelt. Ein weiteres Kapitel ist den Kraftwirkungen und dem Energieaustausch bei Stromungsvorgangen gewidmet. Hier wird rnit Hilfe des Impulssatzes die Krummerstromung und die Strahlstro- mung erortert, Ausfiihrungen zur Drallstromung und zur Kavitation erganzen die Ausfiihrungen. Dem Widerstandsverhalten von festen Korpern und der Tragflugeltheorie sind eigene Abschnitte gewidmet . Das Buch schlieBt rnit Hinweisen zum Messen in stromenden Flussigkeiten, wobei insbesondere Druck- und Geschwindigkeits- messungen besprochen werden. Sehr anschauliche Skizzen erlautern die Ausfiihrungen. Die vielen Beispiele, die jeweils die Kapitel erganzen, gestatten auch dem nicht geubten Leser ein Nachvollziehen des vermittelten Stoffes. Das Buch eignet sich vor allem fur Studierende an den Fachhochschulen. Bei den Bezeichnungen ist noch konsequenter vorzugehen. So sollte beispielsweise die Masse mit M , der Massenstrom rnit h und die Massenstromdichte rnit m bezeichnet werden.

[BB 23841 M. Bohrict. Braunschweig

52 Chem.-1ng.-Tech. 55 (1983) Nr. 1, S. 50-51