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Lehrstuhl fr Fluidverfahrenstechnik der
Technischen Universitt Mnchen
Fluiddynamik in Packungskolonnenfr Gas-Flssig-Systeme
Volker Engel
Vollstndiger Abdruck der von der Fakultt fr Maschinenwesen der
Technischen Universitt Mnchen zur Erlangung des akademischen Grades
eines
Doktor - Ingenieurs
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. K. Strohmeier
Prfer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr.-Ing., Dr.-Ing. habil. J. Stichlmair
2. Univ.-Prof. Dr.-Ing., Dr.-Ing. E.h. E. Bla, em.
Die Dissertation wurde am 21. Januar 1999 bei der Technischen
Universitt Mnchen eingereicht und durch die Fakultt fr
Maschinenwesen am 24. Mrz 1999 angenom-men.
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2
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Vorwort
Die vorliegende Forschungsarbeit wurde von der Firma Rauschert
Verfahrenstechnik GmbH initiiert und in Kooperation mit dem
Lehrstuhl fr Fluidverfahrenstechnik (vor-mals Lehrstuhl A fr
Verfahrenstechnik) der Technischen Universitt Mnchen umge-setzt.
Durch diese Konstellation ist die Arbeit gleichermaen vom
wissenschaftlichen Anspruch wie von der Forderung der praktischen
Relevanz getragen.
Allen, die zum Entstehen und Gelingen der Arbeit beigetragen
haben, und fr die mir im Projekt gewhrten Freiheiten bin ich sehr
dankbar.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Johann Stichlmair danke ich fr sein stetes
Interesse an diesem Pro-jekt und die Untersttzung der
Forschungsarbeit.
Dem Geschftsfhrer der Rauschert Verfahrenstechnik GmbH, Herrn
Dr.-Ing. Werner Geipel, gilt mein besonderer Dank fr die praktische
und finanzielle Frderung des Pro-jektes.
Herrn em. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Echkart Bla gebhrt mein
herzlicher Dank fr die bernahme des Korreferates sowie sein
Interesse am Fortschritt der Arbeit.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Klaus Strohmeier danke ich fr die bernahme
des Prfungsvorsit-zes.
Besonders darf ich mich auch bei Ingo Wagner bedanken, der durch
seine Diplomarbeit, seine Ideen und in vielen Diskussionen zum
Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat.
Allen Kollegen und Mitarbeitern am Lehrstuhl und bei der Firma
Rauschert gilt mein herzlicher Dank fr die mir gewhrte Untersttzung
und die angenehme Arbeitsatmo-sphre.
Eichenau, im April 1999 Volker Engel
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InhaltsverzeichnisIV
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einfhrung
..........................................................................................
11.1 Bauteile von Packungskolonnen
.........................................................................
21.2 Auslegung von Packungskolonnen
.....................................................................
41.3 Packungsformen
..................................................................................................
71.3.1 Fllkrper
............................................................................................................
71.3.2 Geordnete
Packungen..........................................................................................
9
2 Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit
.................................... 10
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
.................................... 123.1 Versuchsaufbau und
Metechnik.......................................................................
133.1.1
Versuchsaufbau..................................................................................................
133.1.2 Allgemeine Metechnik
....................................................................................
153.1.3 Holdup-Meverfahren
.......................................................................................
163.1.4 Megenauigkeit
.................................................................................................
263.2
Versuchsdurchfhrung.......................................................................................
273.3
Versuchsprogramm............................................................................................
313.4 Zusammenfassung
.............................................................................................
32
4 Flssigkeitsinhalt von Packungen
..................................................... 334.1
Haftflssigkeitsinhalt.........................................................................................
354.1.1 Experimentelle Daten zum
Haftflssigkeitsinhalt.............................................
354.1.2 Verffentlichte Modellanstze zum Haftflssigkeitsinhalt
............................... 364.1.3 Modellierung des
Haftflssigkeitsinhalts
.......................................................... 384.2
Gesamtflssigkeitsinhalt
...................................................................................
394.2.1 Experimentelle Daten zum
Gesamtflssigkeitsinhalt........................................
394.2.2 Verffentlichte Modellanstze zum Gesamtflssigkeitsinhalt
.......................... 404.2.3 Modellierung des
Gesamtflssigkeitsinhalts ohne Gasgegenstrom ..................
444.2.4 Modellierung des Gesamtflssigkeitsinhalts mit
Gasgegenstrom..................... 484.2.5
Modellvergleich.................................................................................................
514.3 Zusammenfassung
.............................................................................................
53
5 Druckverlust von Packungen
............................................................ 545.1
Experimentelle Daten zum Druckverlust
.......................................................... 57V
5.2 Verffentlichte Modellanstze zur Beschreibung des
Druckverlusts................ 58
-
Inhaltsverzeichnis
5.2.1 Modell von Mersmann (MERSMANN 1994 und BORNHTTER 1991)
............595.2.2 Modell von Mackowiak (MACKOWIAK 1991)
.................................................615.2.3 Modell von
Billet und Schultes (BILLET UND SCHULTES 1993)
....................615.2.4 Modell von Stichlmair (STICHLMAIR ET
AL. 1989) ........................................625.3
Modellierung des Druckverlusts
........................................................................665.4
Betriebsgrenzen von Packungen
........................................................................745.5
Zusammenfassung..............................................................................................75
6 Phasengrenzflche
.............................................................................776.1
Konzept der bergangseinheiten
.......................................................................786.2
Konzept der Gleichgewichtsstufen
....................................................................796.3
Charakteristik des
Stoffaustauschs.....................................................................806.4
Verffentlichte Modellanstze zur effektiven
Austauschflche.........................816.4.1 Modell von
SEMMELBAUER 1966
....................................................................826.4.2
Modell von ONDA ET AL.
1968........................................................................826.4.3
Modell von ZECH 1978
.....................................................................................836.4.4
Modell von BRAVO UND FAIR 1982
................................................................846.4.5
Modell von SHI UND MERSMANN 1984
..........................................................846.4.6
Modell von BORNHTTER 1991
.......................................................................856.4.7
Modell von BILLET UND SCHULTES 1993
......................................................866.5
Modellierung der
Phasengrenzflche.................................................................866.6
Modellvergleich
.................................................................................................886.7
Zusammenfassung..............................................................................................90
7 Zusammenfassung und Ausblick
.......................................................91
8 Anhang
...............................................................................................938.1
Beschreibung des trockenen Druckverlusts von
Packungen..............................938.2 Verzeichnis von
Packungsdaten
.........................................................................948.3
Berechnungsgleichungen zur Bestimmung des Flutpunkts
...............................99
9 Literaturverzeichnis
........................................................................
101VI
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Formelzeichen
Basiszeichen
a m/m Spezifische OberflcheA m FlcheB m/(m h)
BerieselungsdichteC F KapazittC Konstanted m DurchmesserD m
KolonnendurchmesserF Gasbelastungsfaktor F Parameter g m/s
Erdbeschleunigung
kmol/s Molenstrom Gash m/m Flssigkeitsinhalt, HoldupHETP m
Height Equivalent to Theoretical PlateHTU m Height of a Transfer
Unitk kmol/(ms) StoffdurchgangskoeffizientK Wandfaktor L kmol/s
FlssigkeitsstromL m Hhem mol/mol Steigung der
Gleichgewichtslinie
kg/kmol Molmasse
Pa F uG G
G
MVII
n Anzahl der TrennstufenN #/m SchttdichteNTU Number of Transfer
Unitsp Pa Drucks m Abstand
-
Griechische Formelzeichen
Indizes und Kopfzeiger
u m/s GeschwindigkeitX Hilfsfunktionz #/m Spezifische Anzahl
Winkelm/s Volumetrischer Stoffdurchgangskoeffizient
D Differenz
Dielektrizittskonstante
m/m Lckengrad, Porosittkg/(m s) Dynamische Viskositt
Strippingfaktorkg/m Dichte
RandwinkelN/m Oberflchenspannung
p KreiszahlWiderstandsbeiwert
bei Anwesenheit von Flssigkeit* dimensionslose Gre0 ohne
Gasgegenstrom, unterhalb des Staupunkts32 Sauterdurchmesseraus
Austrittber berechnetein Eintritteff effektivexp experimentellE
EinzelpartikelFl am FlutpunktG gasfrmig, Gasges gesamt
0 Fm---- 0 8,8541878 10
12 Fm----=
VIII
-
geo geometrischh hydraulischL flssig, von der Flssigkeit
beeinflutmax maximalN NenngrePh Phasengrenzereal in der RealittS
SchwarmT Tropfentheo theoretischO overallIX
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1 Einfhrung
Gas-Flssig-Kontaktapparate bilden das Herz der thermischen
Trenntechnik. Sie kommen in den Bereichen Rektifikation, Absorption
und Desorption zum Einsatz. Ihre technische Bedeutung lt sich an
der Anzahl der betriebenen Kolonnen belegen, wobei jedoch nur
Teilbereiche dokumentiert sind. So werden z.B. allein in den USA
etwa 40.000 Destillationskolonnen betrieben (HUMPHREY 1995), die
Zahl der in der Abgasreinigung eingesetzten Absorptionskolonnen
liegt sicher deutlich hher.
Um eine hohe Stoffaustauschleistung in solchen Apparaten zu
erzielen, mu eine groe Grenzflche zwischen den Phasen realisiert
werden. Verschiedene Kontaktelementty-pen haben sich in der Praxis
etabliert. Bden (Siebbden, Glockenbden, Ventilbden und
Dualflowbden), regellose Fllkrperschttungen und geordnete Packungen
in den verschiedensten Werkstoffen bilden das Portfolio des
Verfahrensingenieurs zur appa-rativen Lsung von Trennaufgaben in
Gas-Flssig-Kontaktapparaten.
Hatten Neuentwicklungen solcher Elemente jeweils anfnglich den
Anspruch die bis-herige etablierte Technik zu revolutionieren und
gnzlich zu ersetzen, so stehen in der Praxis mittlerweile die
verschiedenen Kontaktelementtypen mit ihren spezifischen Vor- und
Nachteilen in Konkurrenz, und fr jeden konkreten Fall wird die
Entscheidung fr oder gegen ein Kontaktelement vom Projektingenieur
neu getroffen. In vielen Berei-chen der Absorption (Wsche), der
Desorption (Strippen) und der Khlung herr-schen aufgrund der groen
Packungsvolumina die im Vergleich preiswerten Fllkrper vor. Die
Rektifikationstechnik (insbesondere bei niederen Drcken) wird von
geordne-ten Packungen aufgrund des erzielbaren geringen
spezifischen Druckverlusts domi-niert. Bden finden Anwendung bei zu
Verkrustung neigenden Systemen oder hoher geforderter Trennleistung
(z.B. Propan/Butan-Splitter).1
Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die Packungskolonnen, wobei
Packung in dieser Arbeit als berbegriff fr regellose Fllkrper und
geordnete (strukturierte) Packungen verwendet wird.
-
1 Einfhrung
Neben der Packung mssen eine Vielzahl von Komponenten und
Baugruppen bei der Auslegung einer Kolonne bercksichtigt und
aufeinander abgestimmt werden. Die Komponenten einer
Packungskolonne (Kap. 1.1), sowie ein berblick ber die Ent-wicklung
von Fllkrpern und geordneten Packungen (Kap. 1.3) gibt einen
Eindruck ber die Vielzahl an gestalterischen Freiheitsgraden (und
damit auch Fehlermglichkei-ten) bei der Auslegung von
Packungskolonnen. Das Vorgehen bei der Auslegung von
Packungskolonnen (Kap. 1.2) dokumentiert die fr eine erfolgreiche
Berechnung not-wendige mehrstufige Iteration und gibt damit
gleichzeitig erste Hinweise fr das Pflichtenheft eines praktisch
gut einsetzbaren Modells.
1.1 Bauteile von Packungskolonnen
Der Kontakt zwischen Flssigkeit und Gas findet in der Packung
statt. Neben diesem als aktiv bezeichneten Teil einer Kolonne wird
jedoch noch eine Vielzahl an Einbau-ten bentigt, um mglichst gute
Bedingungen fr den Stoffbergang zu schaffen. Abb. 1.1 zeigt eine
Packungskolonne fr den Einsatz in der Rektifikation.
Die Flssigkeit mu ber den Kolonnenquerschnitt mglichst gleichmig
verteilt wer-den. Die Bauformen der hierzu eingesetzten
Flssigkeitsverteiler sind vielfltig. Bei den in Abb. 1.1
dargestellten Variante handelt es sich um einen Rinnenverteiler mit
zen-traler Speiserinne. Der Anforderungskatalog fr solche Verteiler
reicht von hchster Verteilungsgte, statischer und thermischer
Festigkeit, groem Arbeitsbereich (Funkti-onstchtigkeit bei groen
Lastschwankungen in der Flssigkeitsverteilung) bis hin zur
problemlosen Montierbarkeit durch Montageffnungen.
Die aktiven Bereiche (Packungen im Abtriebs- und Verstrkungsteil
der Rektifkations-kolonne) mssen bei Gefahr von
Flssigkeitsfehlverteilungen (Maldistribution) auf-grund groer
Packungshhen durch Einbauten zur Flssigkeitssammlung und
Flssigkeitsneuverteilung unterbrochen werden. Solche sog.
Wiederverteilungenhneln der in Abb. 1.1 dargestellten Baugruppe fr
die Feedeinspeisung. Fr kleinere Durchmesser werden auch oft
Randabweiser (umlaufende, oft auch geschlitzte Blech-krempen)
eingesetzt.
Jede Packung liegt auf einem Auflagerost, der zum einen das
Gewicht der Packung und der enthaltenen Flsigkeit auffangen mu, zum
anderen fr den Gasstrom keine unzulssige Engstelle darstellen darf.
Hierbei werden ebene Tragroste und sog. Profil-tragroste
eingesetzt. Um bei hohen Dampfgeschwindigkeiten das Lockern der
Packung 2
-
1.1 Bauteile von Packungskolonnen
FlssigkeitsverteilerNiederhalterost
Packung
Auflagerost
Flssigkeitssammler
FlssigkeitsverteilerNiederhalterost
Packung
Auflagerost
Gasverteilung
Standzarge
Dampf -Einspeisung
Flssigkeitsabzug
Wartungs- bzw.Montageffnung
Wartungs- bzw.Montageffnung
Rcklaufeinspeisung
Dampfabzug
Feedeinspeisung3
Abbildung 1.1: Bauelemente einer Packungskolonne (Rektifikation)
(SULZER)
-
1 Einfhrung
bzw. den Austrag von Fllkrpern zu verhindern, werden
Niederhalteroste auf die Packung gelegt, die mit ihrem Eigengewicht
dies verhindern.
Bei groen Kolonnendurchmessern mu auch eine mgliche
Fehlverteilung des Damp-fes vermieden werden. Besonders bei
geordneten Packungen mit geringem spezifischen Druckverlust mu
dieser Gefahr mit geeigneten Gasverteilern begegnet werden. Auch
hier werden unterschiedliche Bauformen von Herstellerfirmen
angeboten, die vom geschlitzten Rohr (siehe Abb. 1.1) bis hin zu
aufwendigen Lamellenstrukturen reichen.
1.2 Auslegung von Packungskolonnen
Die Lsung eines Trennproblems beginnt normalerweise (nach der
Sammlung der phy-sikalischen Daten, sowie der bentigten
Gleichgewichtsparameter der Komponenten) mit der thermodynamischen
Berechnung. Diese thermodynamische Berechnung liefert die internen
Strme einer Kolonne. Auf Grundlage dieses Stromprofils kann die
fluid-dynamische Auslegung der Kolonne erfolgen.
Von der Problemstellung ist das Vorgehen bei der Auslegung von
Packungskolonnen abhngig. Werden die Einbauten (Packung,
Auflagerost, Flssigkeitsverteiler, Wieder-verteiler/Wandabweiser)
einer bestehenden Kolonne durch neue ersetzt, um z.B. den Durchsatz
oder die Trennleistung zu steigern, so spricht man von einem Revamp
der Kolonne. Die Geometrie (Kolonnendurchmesser und die fr
Einbauten zur Verfgung stehende Hhe) liegt fest und stellt keinen
Freiheitsgrad der Auslegung dar. Durch die in der bestehenden
Anlage gewonnenen Betriebserfahrungen liegen Entscheidungshil-fen
bei der Werkstoffwahl und eventuell notwendigen Manahmen z.B. gegen
Verkru-stungen vor.
Die Auslegung einer neuen Packungskolonne besitzt gegenber dem
Revamp deut-lich mehr Freiheitsgrade und stellt deshalb hhere
Anforderungen an den Ingenieur, eine optimale Lsung zu finden. Das
Vorgehen ist fr diesen Fall in Abb. 1.2 skizziert.
Zunchst mu eine Entscheidung zum eingesetzten Kontaktelementtyp
(Fllkrper, geordnete Packung, Bden) fallen. Hier gilt es, die
spezifischen Vor- und Nachteile zu bercksichtigen. Viele
Standardwerke zur Dimensionierung von Apparaten geben hier
Entscheidungsmatritzen und Empfehlungen (z.B. PERRY 1984, KISTER
1992, SATT-LER 1995, BILLET 1995, STICHLMAIR UND FAIR 1998).
Auch die Wahl eines bestimmten Werkstoffs fr Kolonnenmantel,
Einbauten und Pak-kung ist sehr wichtig. Da die Folgen einer
Fehlentscheidung hierbei gravierend sein 4
-
1.2 Auslegung von Packungskolonnen
Abbildung 1.2: Vorgehen bei der Auslegung von
Packungskolonnen
Ende
Start
Thermodynamische Berechnung
Festlegung des Kontaktelementtyps, Wahl des Werkstoffs
Festlegung von Typ und Abmessung der Packung
FluiddynamischeBelastung technisch
sinnvoll?
Stoffbergangsberechnung zur Ermittlung der Packungshhe
Ja
Nein
Ja
Nein
Fluiddynamische Berechnung der Packung
Festlegung eines Kolonnendurchmessers
Auslegung von Flssigkeitsverteilern, Auflagerosten,
Bett-Teilungen
Packungshhetechnisch sinnvoll?5
-
1 Einfhrung
knnen, mu versucht werden, grtmgliche Sicherheit, d.h. mglichst
fundierte Informationen als Entscheidungsgrundlage zu besitzen.
Tabellenwerke fr Werkstoffbestndigkeiten geben zwar
Korrosionsraten der Materia-lien gegenber Reinfluiden wieder,
jedoch ist es schwierig, Informationen ber Gemi-sche unter
Betriebsbedingungen zu erhalten. Hier sind Erfahrungen des
Packungs- lieferanten oder des Betreibers unerllich.
Nach Festlegung der Abmessung der Packung (d.h. Fllkrpertyp und
Nennabmessung der Fllkrper, bzw. Typ und spezifische Oberflche
einer geordnenten Packung) kann die fluiddynamische Analyse fr
einen angenommenen Kolonnendurchmesser erfol-gen. Je nach Ergebnis
dieser Analyse kann es notwendig sein, einen anderen
Kolonnen-durchmesser zu verwenden, bzw. einen anderen Packungstyp
oder eine andere Packungsabmessung einzusetzen. Auch kann es sein,
da die in der thermodynami-schen Berechnung ermittelten Strme aus
Sicht der Fluiddynamik ungeeignet sind und eine vernderte
thermodynamische Auslegung (nderung von Rckflu bzw. Gegen-strom)
hier Abhilfe schaffen mu.
Aus der geforderten Trennleistung und der
Stoffbergangsberechnung ergibt sich fr den eingesetzten Packungstyp
die notwendige aktive Packungshhe. Liegt diese errech-nete Hhe bei
technisch nicht sinnvollen oder nicht realisierbaren Werten, so mu
im Auslegungsvorgehen an frherer Stelle eingegriffen werden (vgl.
Abb. 1.2). Dies kann eine nderung der Packungsabmessung, der
Kolonnengeometrie oder auch der thermo-dynamischen Auslegung
(Rckflu, Gegenstrom) bedeuten. Erscheint die errechnete Packungshhe
technisch sinnvoll, berschreitet jedoch bestimmte Grenzwerte, so mu
aufgrund der Gefahr von Flssigkeitsfehlverteilung die Packung in
mehrere Abschnitte geteilt werden und in den entstehenden
Zwischenrumen eine Sammlung und Neuver-teilung der Flssigkeit
vorgenommen werden.
Die technische Ausfhrung von Auflagerosten,
Flssigkeitsverteilern, Gaseinteilung und Tropfenabscheidern mu auf
die Packung und die spezifischen Anforderungen der Trennaufgabe
abgestimmt werden.
Erst mit der Definition aller Komponenten der Kolonne kann eine
zuverlssige Investi-tionskostenberechnung durchgefhrt werden. Sind
die errechneten Investitionskosten nicht im Budgetrahmen, bzw.
sollen apparative Alternativen geprft werden, so mu unter
Bercksichtigung neuer Vorgaben der Berechnungablauf erneut
ausgefhrt wer-den.6
-
1.3 Packungsformen
1.3 Packungsformen
1.3.1 Fllkrper
Die Verwendung von Naturkrpern zur Schaffung von groen
Oberflchen fr den Stoffaustausch wird schon seit Jahrhunderten
praktiziert. So wurden und werden z.B. Reisigbschel in
Gradierwerken eingesetzt, um durch Verdunstung Sole zu
konzentrie-ren. Diese als archaisch bezeichneten Fllkrperformen
wurden durch die Erfindung des nach seinem Erfinder benannten
Raschig-Rings in technischen Anwendungen abgelst. Das Patent von
Fritz Raschig aus dem Jahre 1914 (RASCHIG 1914) definiert einen
zylindrischen Ring, dessen Durchmesser gleich seiner Hhe ist. Durch
diese Geo-metrie knnen homogene Schttungen realisiert werden, deren
Packungsoberflchen den archaischen Formen deutlich berlegen sind.
Mit diesem Patent beginnt die konti-nuierliche Weiterentwicklung
von Fllkrperformen. Eine mgliche Gliederung dieser fast
hundertjhrigen Fllkrperevolution ist in Abb. 1.3 dargestellt
(BORNHTTER 1991, GEIPEL UND ULLRICH 1991). Man unterscheidet dabei
zwischen drei Entwick-lungsschritten (sog. Generationen), drei
prinzipiellen Grundformen (Kugel, Zylinder, Sattel) und den
technisch relevanten Werkstoffen (Keramik, Metall und Kunststoff).
Die Grundform der Kugel besitzt nur als keramischer
Katalysatortrger in Reaktoren groe Bedeutung. Die evolutionren
Mglichkeiten sowie die Fertigungsmglichkeiten in metallischen
Werkstoffen sind fr die Kugelform jedoch eingeschrnkt, weshalb in
Abb. 1.3 nur die beiden Grundformen Zylinder und Sattel dargestellt
sind.
In der ersten Generation (m) besitzen die Fllkrper geschlossene
Mantelflchen. Diese Formen zeichnet eine einfache Fertigbarkeit und
damit ein gnstiger Preis aus. In Gas-Flssig-Kontaktapparaten werden
sie heute nur noch selten eingesetzt, da sie einen hohen
spezifischen Druckverlust und einen nennenswerten Anteil an
Totvolumina besitzen. Diesen Nachteil versuchte man in den
Fllkrperformen der zweiten Genera-tion (n) durch Aufbrechen der
Vollmantelflchen zu beseitigen. Whrend es fr zylin-drische Krper
fertigungstechnisch in allen Werkstoffen relativ einfach ist, die
Flchen durch ffnungen zu durchbrechen, konnte diese Entwicklung nur
bedingt auf Sattelkr-per und praktisch nicht auf Kugeln bertragen
werden. Die Kombination aus vertretba-rem Fertigungsaufwand und
gnstigen Druckverlustwerten machen diese Fllkrper attraktiv, und
sie werden heute in Apparaten zur Stofftrennung hufig
eingesetzt.
Um eine weitere Reduzierung des spezifischen Druckverlustes zu
erreichen - auch bedingt durch den durch geordnete Packungen
ausgelsten Entwicklungsdruck - wer-den in den Fllkrpern der dritten
Generation () die Krperumrisse nur noch durch 7
-
1 Einfhrung
ein Gitter1 markiert. Um die fr den Stoffaustausch notwendige
Materialoberflche jedoch nicht zu verlieren, werden die Flchen in
das Innere des Rings verlegt. Dies gelingt bei Kunststoffkrpern
besonders gut, da hier die Materialien bzw. die
Ferti-gungsverfahren den Herstellern wenig Grenzen setzen.
Die Menge der angebotenen Fllkrperformen und -strukturen ist
sehr vielfltig. Die im Anhang in Kap. 8.2 aufgefhrte Tabelle gibt
einen berblick ber aktuelle und pra-xisrelevante Fllkrper.
Abbildung 1.3: Entwicklungsschritte der Fllkrpergrundform
Zylinder und Sattel
Zylinder Sattel
Keramik Metall Kunststoff Keramik Metall Kunststoff
8
1. Die Fllkrper der dritten Generation werden deshalb auch als
Gitterfllkrper bezeichnet.
-
1.3 Packungsformen
1.3.2 Geordnete Packungen
Geordnete Packungen knnen die Forderung nach homogener Struktur
besser als regel-lose Fllkrperschttungen erfllen. Die Entwicklung
von geordneten Packungen mit technischer Relevanz setzte deutlich
spter als die der Fllkrper ein. Seit Mitte der sechziger Jahre
entwickelt und verkauft die Firma SULZER als erster Anbieter
Blech-packungen. Hierbei handelt es sich um gewellte dnne Bleche,
die senkrecht in der Kolonne - zu Paketen zusammengefat -
angeordnet werden (vgl. Abb. 1.4a). Diese
Grundstruktur (gewellte, vertikale Flchen) findet man auch bei
fast allen Weiterent-wicklungen. Lochungen, Profilierung,
Stanzungen oder die Verwendung von Drahtge-webe anstelle von
Blechen fhrt auf geordnete Packungen mit neuen Eigenschaften (Abb.
1.4b). Auch die Verwendung nichtmetallischer Materialien
(Kunststoffe und Keramik) ist in Grenzen mglich.
Durch Einnhen von Katalysatormaterial in Gewebetaschen knnen
auch Spezialaus-fhrungen geordneter Packungen fr reaktive Systeme
realisiert werden.
Die hohe realisierbare Austauschflche und der geringe
spezifische Druckverlust zeich-nen geordnete Packungen aus. Dem
steht ein relativ hoher Fertigungsaufwand (jede geordnete Packung
mu an den Kolonnenquerschnitt genau angepat werden) und damit ein
hoher Preis gegenber.
(a) (b)
Abbildung 1.4: Geordnete Packungen (SULZER) (a) Blechpackung
Mellapak 250.X (b) Hochleistungspackung Optiflow9
-
2 Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit
Die Bedeutung und die Notwendigkeit einer gesicherten
Vorausberechnung von Pak-kungen wurde in Kap. 1 ausgefhrt. Viele
Forschungsarbeiten und Verffentlichungen seit Anfang dieses
Jahrhunderts beschftigen sich mit der Beschreibung von
Fluiddyna-mik und Stoffbergang in Packungskolonnen.
Die meisten der entwickelten Modelle geben ber empirische
Korrelationen eine expe-rimentelle Datenbasis wieder. Durch die
stete Entwicklung neuer Kontaktelementtypen werden solche
empirischen Berechnungsanstze in ihrer bertragbarkeit auf neue
Pak-kungsformen in Frage gestellt. Auf diesen Entwicklungsdruck ist
die groe Anzahl von neuen verffentlichten Modellen zu Fluiddynamik
und Stoffbergang in den letzten Jahrzehnten zurckzufhren. Die
Hauptanzahl der verffentlichten Korrelationen ist empirischer
Natur. Erst in der neueren Literatur finden sich Anstze, die auf
der Basis einer Modellstruktur entwickelt wurden und damit den
Anspruch einer allgemeinen bertragbarkeit haben. Prft man die
Qualitt der verffentlichten Modelle an experi-mentellen Daten, oder
vergleicht man die Auslegungsrechnung mit Betriebsdaten
aus-gefhrter Anlagen, so mu man feststellen, da keines der
verfgbaren Modell fr alle Fllkrperformen, Stoffsysteme und
Betriebsbedingungen durchweg zufriedenstel-lende Ergebnisse liefern
kann.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein allgemeines Modell fr die
Fluiddynamik in Packungsko-lonnen zu entwickeln, das auf Basis
einer groen Zahl von Experimentaldaten die Pra-xistauglichkeit
sicherstellt.
Experimentelle Daten sind die Basis fr jede Modellierung.
Entweder stellen sie die Grundlage fr die Anpassung von
Modellparametern (bei empirischen Modellanstzen) 10
oder sie dienen der Verifikation von theoretisch begrndeten
Modellkorrelationen. Um diese Basis zu schaffen, mssen sowohl die
von fremden Experimentatoren verffent-lichten Daten
zusammengetragen und - soweit mglich - bewertet werden als auch in
eigenen Versuchsreihen Medaten fr die in der Modellentwicklung
wichtigen Gren (Druckverlust und Flssigkeitsinhalt) simultan
bestimmt werden. Fr diese gleichzei-
-
1.3 Packungsformen
tige Messung mehrerer Gren ist der Einsatz geeigneter
Meverfahren notwendig (Kap. 3).
Der Flssigkeitsinhalt (Holdup) ist die Schlsselgre fr die
Modellierung von Druck-verlust und Trennleistung von
Packungskolonnen. Eine gesicherte Korrelation, die auch die Effekte
des Gasgegenstroms bercksichtigt, mu die Grundlage fr die
Model-lierung von Druckverlust und Kapazitt (Durchsatz) von
Packungen sein (Kap. 4).
Die Verwendung einer geeigneten Modellstruktur gewhrleistet zum
einen die ber-tragbarkeit der Korrelationen auch auf neu
entwickelte Packungstypen, zum anderen ermglicht sie die
geschlossene Beschreibung aller Effekte der Fluiddynamik vom
Druckverlust (Kap. 5) bis zur Phasengrenzflche (Kap. 6).
Die Entwicklung eines solchen tragfhigen und schlssigen Modells
sowie seine Verifi-kation an einer groen experimentellen Datenbasis
ist Gegenstand dieser Arbeit.11
-
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
Eine mglichst breite und verlliche Datenbasis ist die Grundlage
fr eine fundierte Modellbildung. Um eine solche Datenbasis
aufzubauen, mssen nicht notwendiger-weise eigene Experimente
durchgefhrt werden. Jedoch zeigt sich bei der Analyse ver-fgbarer
Daten aus der Literatur, von Packungsherstellern und von anderen
Experimentatoren, da Widersprchlichkeiten in den Daten auftreten.
Da fr eine kriti-sche Beurteilung meist keine ausreichende
Dokumentation vorliegt (z.B. Informationen ber die Gte der
Flssigkeitsverteilung, ber Kolonnendurchmesser oder ber die
ein-gesetzte Metechnik), kann eine Bewertung des Modells nur durch
eigene experimen-telle Arbeiten erfolgen. Daraus liee sich
ableiten, da es nicht sinnvoll ist, auf die Daten Dritter
zurckzugreifen. Aus Zeit- und Kostengrnden ist es jedoch nicht
mg-lich, die Vielzahl der Parameter der Fluiddynamik
(Packungstypen, Packungsgren, Stoffsysteme und Betriebsbedingungen)
in eigenen Versuchen zu bestimmen. Um eine mglichst breite
Datenbasis zu realisieren, wird man trotz der damit verbundenen
Pro-bleme immer auf fremde Medaten zurckgreifen.
Das in dieser Arbeit durchgefhrte Versuchsprogramm wurde erst
durch die kostenlose Bereitstellung von Packungen einiger
Hersteller mglich. Den Firmen RAUSCHERT, SULZER, RASCHIG und NORTON
sei fr ihre prompte und unbrokratische Unterstt-zung dieser
Forschungsarbeit an dieser Stelle herzlich gedankt.
Dieses Kapitel beschreibt den Versuchsaufbau, die
Versuchsdurchfhrung und die ein-gesetzte Metechnik. Im Mittelpunkt
steht dabei die Erfassung des Flssigkeitsinhalts.12
-
3.1 Versuchsaufbau und Metechnik
3.1 Versuchsaufbau und Metechnik
3.1.1 Versuchsaufbau
Der im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute Versuchsstand zur
Untersuchung von Flssig-keitsinhalt und Druckverlust von
Packungskolonnen ist in Abb. 3.1 schematisch darge-stellt.
Abbildung 3.1: Schematische Darstellung des
Versuchsaufbaus13
-
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
Der Versuchsaufbau besteht aus einer Kolonne K1
(Kolonneninnendurchmesser 240mm, Kolonnenmaterial: transparentes
PVC), deren Sumpf X5 sich ber einen Konus auf 100mm Durchmesser
verjngt. Durch diese Reduzierung lt sich die Genauigkeit der
Bestimmung des Sumpfpegels deutlich erhhen (vgl. Beschreibung der
Volumenbilanzmetechnik fr den Holdup in Kap. 3.1.3). Die
Pegelmessung erfolgt ber eine Differenzdruckmessung.
Die Flssigkeit wird dem Sumpf ber zwei parallel schaltbare
Pumpen (eine Kreisel-pumpe P1 und eine Exzenterschneckenpumpe P2
mit drehzahlregelbarem Getriebe) entnommen und ber ein
Volumenstrommegert dem Flssigkeitsverteiler zugefhrt. Ein Bypa zu
den Pumpen ermglicht sehr geringe effektive Frdermengen im
Flssig-keitskreislauf und auch das Ablassen der Flssigkeit aus der
Steigleitung. Damit sind Flssigkeitsbelastungen von 4 bis 35 m/(mh)
mglich. Beim Flssigkeitsverteiler X1 handelt es sich um einen
Rohrverteiler, dessen Bohrungen (Anzahl und Bohrungswin-kel ihrer
Querschnittsposition angepat) eine gleichmige Flssigkeitsaufgabe
und einen relativ groen Arbeitsbereich ermglichen.
Entlftungsbohrungen in jedem Ver-teilerrohr stellen sicher, da sich
keine Luftblasen sammeln knnen. Zur Brechung des Austrittsimpulses
der Flssigkeit und zur nochmaligen Verbesserung der
Flssigkeits-verteilung befindet sich unterhalb des Verteilers ein
Packungselement X2 (Mellapak 250Y, Metall, Segmenthhe 100mm).
Das Gas (Umgebungsluft) wird von einem Drehkolbengeblse V1,
dessen Drehzahl ber einen Freuquenzumrichter regelbar ist, ber
einen Filter angesaugt und unterhalb des Auflagerostes der Packung
ber einen Gasverteiler (nach unten geffnetes waage-rechtes Rohr) in
die Kolonne eingebracht. Die mit Wasserdampf gesttigte Luft tritt
am Kopf der Kolonne durch ein dem Tropfenrckhalt dienendes Flies
aus. Die maximale Gasbelastung wird mit einem F-Faktor von
erreicht.
Die zu untersuchende Packung (Packungshhe 1200mm) kann durch
Demontage des Kolonnenkopfes in die Kolonne eingebracht werden. Sie
liegt auf einem eingeflansch-ten Tragrost aus Streckmetall auf.
Dieses Tragrost besitzt gengend Steifigkeit, um auch hohe
Auflagegewichte (keramische Fllkrper) tragen zu knnen, auerdem ist
der freie Querschnitt gro genug, um auch bei Einsatz von geordneten
Packungen kei-nen Engpa darzustellen. Die Differenzdruckmessung der
Packung erfolgt zwischen zwei Stutzen innerhalb des
Packungsabschnittes der Kolonne mit Abstand 1000mm.
Auf Hhe des Auflagesrosts knnen durch eine Sichtffnung die
Strmungszustnde und das Betriebsverhalten der Kolonne beobachtet
werden.
4,5Pa0,514
-
3.1 Versuchsaufbau und Metechnik
Die Metechnik X4 (Schalenelektroden und Schirmelektrode) zur
Bestimmung der Kapazitt des eingeschlossenen Kolonnensegmentes ist
in Kap. 3.1.3 ausfhrlich beschrieben.
3.1.2 Allgemeine Metechnik
Fr die Aufnahme der Differenzdrcke (Kolonnensumpf und
Druckverlust der Pak-kung) kommen kalibrierbare Druckmeumformer der
Firma Rosemount zum Einsatz. Aufgrund der Geometrie der zufhrenden
Druckschluche knnen Kondensatprobleme ausgeschlossen werden. Durch
eine regelmige Kontrolle der Drift der Umformer wird eine
gleichbleibend hohe Megenauigkeit gewhrleistet.
Zur Bestimmung des Flssigkeitsstroms dient ein nach dem
Schwebekrperprinzip arbeitendes Megert der Firma Rota-Yokogawa.
Durch regelmige Suberung des Schwebkrpers und Kontrolle der
angezeigten Volumenstrme wird die Genauigkeit und
Reproduzierbarkeit sichergestellt.
Der Gasvolumenstrom wird nicht direkt gemessen, sondern indirekt
ber die Wellen-drehzahl des Drehkolbengeblses bestimmt. Um den
groen Mebereich der Gasvolu-menstrme zu realisieren, bietet sich
diese Lsung an, da ein Drehkolbengeblse nach dem gleichen Prinzip
wie ein Drehkolbenzhler arbeitet. Als Zwangsfrderer wird pro
Wellenumdrehung ein definiertes Gasvolumen bewegt. Da fr die in der
Anlage auftre-tenden Gegendrcke ein signifikanter Schlupf
ausgeschlossen werden kann (hierzu wurde vom Lieferanten des
Geblses vor Auslieferung auf einem Prfstand fr unter-schiedliche
Gegendrcke der Schlupf bestimmt), besteht die Mglichkeit aus der
Wel-lendrehzahl ber eine lineare Korrelation auf den
Gasvolumenstrom zurckzu-schlieen.
Die Temperatur der Flssigkeit wird im Kolonnensumpf, die des
Gases oberhalb des Flssigkeitsverteilers und in der Nhe des
Gaseintritts gemessen. Hierbei kommen Widerstandsthermometer
(Pt100, Klasse A) zum Einsatz.
Alle Medaten werden in einer Signalkonditionierung (Entkopplung
und Signalaufbe-reitung) zusammengefhrt, an einen Personal Computer
weitergeleitet, dort gewandelt (Analog-Digital-Wandlung),
visualisiert und gespeichert. Dieser Rechner bernimmt auch die
Anlagensteuerung. ber Digital-Analog-Wandler werden Steuerimpulse
fr die Schaltrelais der Pumpen, des Frequenzumrichters und des
Geblses geliefert. Die im Rahmen dieser Arbeit erstellte
Steuersoftware der Anlage ist in der Lage, ein vor-eingestelltes
Versuchsprogramm ohne Aufsicht durch den Experimentator auszufhren.
15
Diverse Sicherheitsschaltungen und permanente
berwachungsschaltungen ermgli-
-
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
chen es so, die sehr zeitaufwendigen Messungen (vgl. Kap. 3.2)
auch ber Nacht durch-zufhren.
3.1.3 Holdup-Meverfahren
In der Literatur findet man eine Vielzahl unterschiedlicher
Meverfahren fr den Fls-sigkeitsinhalt. Man kann die Meverfahren
generell nach der erfaten physikalischen Gre einteilen.
Volumetrische Verfahren erfassen das in der Packung befindliche
Fls-sigkeitsvolumen durch Auffangen der Flssigkeit nach dem
Absperren des Zuflusses (sog. Schnellschlumethode) oder durch
Messung der Volumenabnahme in einem Aus-gleichsbehlter (sog.
Volumenbilanzmethode). Das gravimetrische Meverfahren erfat die
Massennderung der Packung bei Berieselung und kann ber die
Flssig-keitsdichte einfach auf das Flssigkeitsvolumen
zurckschlieen. Radiometrische Mes-sungen bedienen sich der auf die
Flssigkeit zurckgehenden Schwchung eines Gammastrahls. Das im
Rahmen dieser Arbeit eingesetzte Kapazittsmeverfahrenbedient sich
der Vernderung der Kapazitt eines Kolonnenabschnitts (ausgefhrt als
Schalenkondensator durch Anlegen von Elektroden an die Kolonne) bei
Anwesenheit von Flssigkeit im Kondensatorvolumen.
Die Meverfahren unterscheiden sich hinsichtlich des erfaten
Mevolumens (volume-trische und gravimetrische Messungen erfassen
normalerweise die gesamte Packung, whrend die kapazitive Messung
nur einen Teil und die radiometrische nur eine Strah-lengang durch
die Packung erfassen kann) und der Notwendigkeit der Kalibration
(volumetrische und gravimetrische Verfahren messen die Gre Holdup
direkt, wh-rend die anderen Meverfahren ber eine Kalibration von
der Megre auf die Ziel-gre schlieen mssen).
Jedes Meverfahren besitzt spezifische Vor- und auch Nachteile.
Kriterien wie appara-tiver Aufwand, Sicherheitstechnik,
online-Fhigkeit und Genauigkeit sprechen jeweils fr bzw. gegen ein
Meverfahren.
Mit den fr die Versuchsanlage ausgewhlten zwei Meverfahren
Volumenbilanz und Kapazittsnderung stehen zwei online-fhige
Verfahren zur Verfgung, die auf der Erfassung unterschiedlicher
physikalischer Daten der Flssigkeit beruhen und unter-schiedliche
Mevolumina bercksichtigen. Die Kalibration des
Kapazittsmeverfah-rens kann ber die Volumenbilanzmessung
erfolgen.
Die beiden eingesetzten Meverfahren sind in den beiden folgenden
Abschnitten detail-liert beschrieben.16
-
3.1 Versuchsaufbau und Metechnik
Holdupmeverfahren Volumenbilanz
Die Volumenbilanzmethode zur Bestimmung des Flssigkeitsinhalts
in Packungen setzt die Kenntnis des in der Anlage befindlichen
Flssigkeitsvolumens und der Volumina der Peripherie (Leitungen,
Pumpen, Flssigkeitsverteiler) voraus. Damit kann aus der Messung
der Abnahme des Flssigkeitsvolumens in einem Ausgleichsbehlter
(hier der Kolonnensumpf) auf das Flssigkeitsvolumen in der Packung
geschlossen werden.
Die unterschiedlichen Peripherievolumina der Versuchsanalge sind
in Abb. 3.2 schema-tisch dargestellt.
Ohne Flssigkeitsberieselung kann das Gesamtflssigkeitsvolumen
der Anlage einfach bestimmt werden (Gleichung (3.1)), da sich die
Flssigkeit nur im Sumpf der Kolonne und in der tiefer liegenden
Peripherie befindet.
(3.1)
Abbildung 3.2: Schematische Darstellung der Teilvolumina der
Versuchsanlage
V
V
V
V
V
FlssigkeitsverteilerPackungselement
Packung
Kolonnensumpf
Steigleitung
PumpenLeitungenVolumenstrommessung
Verteiler
Packung
Sumpf
Pumpen
Leitungen
VGesamt
VGesamt VSumpf VPumpen+=17
-
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
Im Betrieb kann unter Bercksichtigung der dann zustzlich
gefllten Bereiche der Peripherie das Flssigkeitsvolumen in der
Packung ber eine einfache Bilanz errechnet werden (Gleichung
(3.2)).
(3.2)
Die Ermittlung der Teilvolumina der verschiedenen Anlagenteile
kann dabei einfach durch Auslitern erfolgen.
Durch die Wahl des Kolonnensumpfs als Ausgleichsbehlter ergibt
sich das Problem, da mit Absinken des Pegels die Strecke der
fallenden Tropfen lnger wird. Da die Flssigkeit erst ber die
Sumpfpegelmessung detektiert wird, stellt dieses Tropfenvolu-men
einen potentiellen Fehler dar. Um das Volumen im Kolonnensumpf
mglichst exakt zu messen, wurde deshalb in einer Anlagenkalibration
diese Fllstandsabhngig-keit aufgenommen, ber eine
Ausgleichsfunktion beschrieben und in den Auswertun-gen
bercksichtigt.
Das Flssigkeitsvolumen, das sich nach Austritt aus dem
Flssigkeitsverteiler in der Luft und in dem unterhalb des
Verteilers angeordneten Packungselement befindet, ist
offensichtlich abhngig von der Flssigkeitsbelastung, d.h. vom
gefrderten Flssig-keitsvolumenstrom. Um diese Abhngigkeit in den
Auswertungen bercksichtigen zu knnen, wurde ebenfalls in einer
Kalibration diese Abhngigkeit aufgezeichnet. Dazu wurde der gesamte
Packungsschu ausgebaut und der Flssigkeitsverteiler und das (zur
Flssigkeitsverteilung gehrende) Packungselement direkt auf den
Auflagerost aufge-setzt. In Abhngigkeit der eingestellten
Flssigkeitsvolumenstrme konnte nun die Ver-nderung des Sumpfpegels
aufgenommen werden. Fr unterschiedliche Flssigkeitsgesamtvolumina
konnte dann auch die oben erwhnte Abhngigkeit des Sumpfvolumens vom
Sumpfpegel ermittelt werden.
Das Meverfahren basiert auf der Kenntnis der Teilvolumina der
Anlage. Treten Verlu-ste des Flssigkeitsgesamtvolumens auf, so
werden diese ber die Gleichung (3.2) dem gesuchten
Flssigkeitsinhalt der Packung zugeschlagen. Deshalb mu darauf
geachtet werden, da keinerlei Leckagen an der Anlage auftreten und
jede Volumennderung whrend eines Versuchs (z.B. durch Nachfllen von
Flssigkeit) in der Bilanz berck-sichtigt wird. Einen schwer
kontrollierbaren Volumendefekt stellt der Austrag von Fls-sigkeit
ber den Gasvolumenstrom dar. Hier wird Flssigkeit in Form von
Trpfchen oder Wasserdampf dem Bilanzvolumen entzogen. Die
Mglichkeiten, diese Mengen zu quantifizieren, ist in Kap. 3.2
beschrieben.
Ein charakteristisches Ergebnis der Volumenbilanzmessung ist in
Abb. 3.3 dargestellt.Hierbei ist die Megre Sumpfdruck ber der
Gasbelastung fr unterschiedliche Fls-
VGesamt VSumpf VPumpen VLeitungen VVerteiler VPackung+ + +
+=18
-
3.1 Versuchsaufbau und Metechnik
sigkeitsbelastungen aufgetragen. ber die oben beschriebenen
Korrekturen erfolgt dann in der Medatenerfassungsanlage die
Umrechnung in die gesuchte Megre Flssigkeitsinhalt. Das Ergebnis
ist in Abb. 3.4 dargestellt.
In jeder Mereihe wird am Anfang und zum Ende die gleiche
Flssigkeitsbelastung eingestellt. Damit ist eine Kontrolle der
Zuverlssigkeit der Versuchsreihe ber die Korrekturmechanismen
mglich. Mit dieser Kontrolle lassen sich beispielsweise
Fls-sigkeitsverluste ber Leckagen sehr schnell und einfach
detektieren.
In den Versuchsergebnissen der Abb. 3.3 sieht man, da in der
direkten Erfassung des Sumpfpegels eine signifikante Abweichung
zwischen den beiden Versuchsreihen glei-cher Flssigkeitsbelastung
(Dreiecksymbole in Abb. 3.3) aufgrund des Austrags besteht. Nach
Bercksichtigung dieser Volumendefekte in der Berechnung des Holdup
sind die Ergebnisse stimmig (Abb. 3.4).
Abbildung 3.3: Experimentelle Ergebnisse fr Fllkrper Hiflow
(25mm, PP). Die Legende gibt die Reihenfolge der verschiedenen
Flssigkeits-belastungen im Versuch wieder. Megre: Sumpfdruck.
Gasbelastung F-Faktor
mbar
Sum
pfdr
uck
0.1 110
100
Pa0.5
B= 9 m/(mh)B= 16 m/B= 30 m/B= 6 m/B= 16 m/B= 26 m/
(mh)(mh)
(mh)(mh)
(mh)19
-
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
Holdupmeverfahren Kapazittsmetechnik
Um den Flssigkeitsinhalt zu messen, kann man auch auf
auergewhnliche me-technisch zugngliche physikalische Gren der
Flssigkeit zurckgreifen. Eine solche Gre stellt die Permittivitt
dar. Sie beschreibt das dielektrische Verhalten eines Stof-fes im
elektrischen Feld und ist ber die Messung der Kapazitt zugnglich.
Auch lei-tende Materialien (wie Flssigkeiten und Metalle) haben
eine solche charakteristische Dielektrizittszahl, wobei zum
Eliminieren von Ausgleichsvorgngen und Polarisati-onseffekten
hochfrequente Wechselfelder fr die Vermessung verwendet werden
ms-sen. Das dielektrische Verhalten eines Stoffes ist primr abhngig
von natrlichen Dipolmomenten der Molekle. Wasser verfgt aufgrund
seines hohen Dipolmoments ber eine hohe Permittivitt und bietet
damit gute Voraussetzungen im Mevolumen auch bei kleinen
Volumenanteilen ein verwertbares Mesignal zu liefern.
Durch groe Unterschiede in der Permittivitt von Gas und
Flssigkeit besteht die Mglichkeit der Quantifizierung der
Volumenanteile der Phasen innerhalb eines Kon-densators.
Abbildung 3.4: Experimentelle Ergebnisse (nach Auswertung und
Bercksichti-gung der Korrekturen) fr Fllkrper Hiflow (25mm, PP).
Die Legende gibt die Reihenfolge der verschiedenen
Flssigkeitsbela-stungen im Versuch wieder.
Gasbelastung F-Faktor0.1 1.0
0.1
0.05
m/m
Fls
sgig
keits
inha
lth
Pa0.5
B= 9 m/(mh)B= 16 m/B= 30 m/B= 6 m/B= 16 m/B= 26 m/
(mh)(mh)
(mh)(mh)
(mh)ge
s20
-
3.1 Versuchsaufbau und Metechnik
Mehrere Forschungsarbeiten (TURNER 1976, KLUG 1993) beschftigten
sich mit der Anwendung dieser Memethode auf die Bestimmung des
Strmungszustands bei Mehrphasenstrmungen (z.B.
Dampfgehaltsmessungen in lpipelines).
Die Permittivitt eines Stoffes ist von der Temperatur abhngig.
Diverse Tabellenwerke (z.B. VON HIPPEL 1954, LANDOLT-BRNSTEIN 1960,
SPICKERMANN 1978) geben hier in grafischer oder funktionaler Form
diese Abhngigkeiten an. In einer genormten Probenapparatur (DIN
53483, Blatt 2) knnen Feststoffe vermessen werden. Fr die
Bestimmung der Permittivitt von Flssigkeiten bieten Hersteller
spezielle Mezellen an (z.B. Liquid Test Fixture HP16452A der Firma
HEWLETT PACKARD).
Das Prinzip der Kapazittsmetechnik lt sich am Beispiel des
Plattenkondensators einfach erklren (vgl. Abb. 3.5). Befinden sich
keine Materialien zwischen den Platten
des Kondensators, so ist die Kapazitt nur abhngig von der
Geometrie des Kondensa-tors (Abstand und Flche der Platten). Sind
im eingeschlossenen Volumen unter-schiedliche Materialien
enthalten, so ist entscheidend, wie diese angeordnet sind. Fr
Abbildung 3.5: Berechnung der Kapazitt von Kondensatoren mit
verschiedenen Dielektrika
0 C 0As---=
0
1C 0
A0s----- 1
A1s-----+=
01
C 1s00 A-------------
s11 A-------------+
--------------------------------=
0
1C f 0 1,( ) As---=
0
2
1C f 0 1 2, ,( ) As---=
s A21
den einfachen Fall einer horizontalen Teilung ergibt sich das
Ersatzschaltbild einer
-
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
Parallelschaltung und damit die Addition zweier
Teilkondensatoren. Bei vertikaler Tei-lung entspricht das
Ersatzschaltbild einer Hintereinanderschaltung, die sich ber die
reziproke Summe der Einzelkapazitten ausdrcken lt. Whrend sich
diese beiden Flle analytisch beschreiben lassen, findet man in der
Literatur fr die Beschreibung von zwei homogen verteilten Phasen
nur Nherungslsungen fr verschiedene Randbe-dingungen (MAXWELL 1892,
BRUGGEMANN 1935, VAN BEEK 1967). Im Fall der Packungskolonne mssen
- fr eine rechnerisch exakte Lsung - das Verhalten von drei
unterschiedlichen Medien (Gas/Dampf, Flssigkeit und
Packungsmaterial) im Konden-sator beschrieben werden. Hierzu
existieren in der Literatur praktisch keine Anstze. Der von RAMU
UND RAO 1973 verffentlichte Ansatz ist fr die in einer
Packungsko-lonne vorliegenden Volumenanteile der Medien nicht
bertragbar. Deshalb bleibt der-zeit nur eine Korrelation der
gemessenen Kapazittswerte ber die in einem anderen Meverfahren
gewonnen Holdupwerte.
Abb. 3.6 zeigt die Anordnung der Elektroden im
Kolonnenquerschnitt, die vertikale Lage der Meapparatur in der
Versuchsanlage ist in Abb. 3.1 angedeutet. Die zwei
Schalenelektroden sind auf den Kolonnenmantel auen aufgebracht
und schlieen ein zylindrisches Kolonnenvolumen ein. Um Strfelder
abzuschirmen, sind die Elektroden von einer geerdeten
Schirmelektrode (auch Guard genannt) umgeben. Die Berech-nung eines
einfachen Schalenkondensators kann mit Gleichung (3.3) erfolgen,
wobei
Abbildung 3.6: Anordnung der Me- und Schirmelektroden im
Querschnitt
Schirmelektrode
Kapazitts-megert
Schalenelektroden22
-
3.1 Versuchsaufbau und Metechnik
der enthaltene Winkel den Umschlieungswinkel einer
Kondensatorplatte angibt (siehe dazu auch Abb. 3.6) und die
Variable die Hhe der Kondensatorplatten.
(3.3)
Die auen angelegten Meelektroden haben gegenber innen
angebrachten den Vorteil, da keinerlei Korrosionsprobleme
auftreten. Jedoch mu fr die Versuchsauswertung der Einflu des
Kolonnenmantels bercksichtigt werden. Ebenfalls zu bercksichtigen
ist ein parasitrer Anteil der Schalenelektroden, der sich aus der
Anordnung der Elek-troden und sich ausbildenden Streufeldern
ergibt. Abb. 3.7 zeigt diese Problematik am Verlauf von Feldlinien.
Die sich aus diesen Effekten ergebende Ersatzschaltung ist in
Abb. 3.8 dargestellt. Um auf das Mevolumen zurckschlieen zu
knnen, ist die Bestimmung der dargestellten Kapazitten notwendig.
Da die Geometrie und die Per-mittivitt des Kolonnenmantels
zugnglich sind, ist die Bestimmung der Kolonnen-wandkapazitt und
der parasitren Kapazitt ber die Vermessung von definierten Medien
in der Kolonne mglich. Hierbei bietet es sich an, die leere Kolonne
sowie die mit Wasser gefllte Kolonne zu vermessen.
Wie breits erwhnt, mssen zur Messung von leitenden Materialien
und Medien hoch-frequent arbeitende Megerte zum Einsatz kommen. In
dieser Arbeit steht mit dem LCR-Meter (HP4285A) der Firma HEWLETT
PACKARD ein Gert zur Verfgung, das
Abbildung 3.7: Verlauf von Feldlinien im
Kondensatorquerschnitt
H
C 0 H2---
4---+
tanln =
Schirmelektrode
Schalenelektroden23
-
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
mit 75 kHz bis 30 MHz ber einen weiten Frequenzbereich verfgt,
diverse Korrektur-mechanismen (z.B. Elimination von parasitren
Leitungskapazitten) und Programm-steuerungen besitzt sowie ber ein
Bussystem vom Anlagensteuercomputer gut anzusprechen ist.
In Abb. 3.9 sind die Ergebnisse der Kapazittsmessung einer
berieselten Fllkrper-schttung wiedergegeben. Bei dem vermessenen
Fllkrper handelt es sich um das gleiche Experiment, wie es auch in
Abb. 3.4 fr die Volumenbilanzmetechnik darge-stellt ist.
Man erkennt, da die Mereihen der gleichen Flssigkeitsbelastung
bei diesem Me-verfahren das gleiche Mesignal liefern - das Problem
des Austrags ist fr die Kapazi-ttsmetechnik irrelevant. ber die
Kalibration (wie in Abb. 3.10 dargestellt) kann auf den
Flssigkeitsinhalt geschlossen werden.
In der dargestellten Kalibrationskurve fllt auf, da es bei
Erhhung der Gasbelastung bei konstanter Flssigkeitsbelastung zu
Abweichungen von der eingezeichneten Kurve kommt. Dies tritt bei
der Annherung an den Flutpunkt der Packung auf und ergibt sich aus
den unterschiedlichen Mevolumina der beiden Meverfahren. Whrend die
Volu-menbilanzmethode die gesamte Kolonne erfat, wird in der
Kapazittsmethode nur das von den Schalenelektroden eingeschlossene
Segment gemessen. Bei Annherung an den Flutpunkt kommt es zu
lokalen Anreicherungen von Flssigkeit oberhalb des Auf-lagerosts,
was von der Volumenbilanzmethode als Anstieg des Gesamtholdup
detektiert wird. Da die Meelektroden jedoch diesen Bereich nicht
erfassen, kommt es zu den
Abbildung 3.8: Ersatzschaltbild fr Kapazittsmetechnik
Kolonnenmantel
Parasitre Anteile
Kolonnenmantel Mevolumen24
Abweichungen in der Kalibrationskurve.
-
3.1 Versuchsaufbau und Metechnik
Wie aus der Vorstellung des Prinzips des Kapazittsmeverfahrens
(vgl. Abb. 3.5) her-vorgeht, ist es fr das Mesignal entscheidend,
wie ein Medium im Mevolumen ange-ordnet ist. In den in Abb. 3.5
dargestellten ersten beiden Fllen besteht das Dielektrikum jeweils
aus dem gleichen Volumen der beiden Medien, jedoch ist die
resultierende Kapazitt gnzlich verschieden. Alle Anstze zur
Berechnung von dispers im Kondensatorvolumen verteilten Medien
gehen von einer Gleichverteilung aus. In der Versuchsanlage dieser
Arbeit konnte durch die przise Flssigkeits- und auch Gas-verteilung
die fr das Meverfahren notwendige Gleichverteilung im Mevolumen
sichergestellt werden.
Metechnisch kann eine Ungleichverteilung von Flssigkeit im
Mevolumen ber Seg-mentelektroden und eine geeignete wechselweise
durchgefhrte Verschaltung dieser Elektroden detektiert werden.
Diese Segmentelektrodenverfahren kommen auch in der
Strmungszustandsbestimmung von Fluiden in Rohrleitungen zum
Einsatz. Mit einer solchen Erweiterung der metechnischen
Mglichkeiten knnen dann auch Maldistri-butionseffekte beschrieben
werden.
Abbildung 3.9: Experimentelle Ergebnisse fr Fllkrper Hiflow
(25mm, PP). Die Legende gibt die Reihenfolge der verschiedenen
Flssigkeits-belastungen im Versuch wieder. Megre: Kapazitt 10
MHz
0.1 1.0Gasbelastung F-Faktor
Kapa
zitt
(10M
Hz)
100
200
300
400
pF
Pa0.5
600
B= 9 m/(mh)B= 16 m/B= 30 m/B= 6 m/B= 16 m/B= 26 m/
(mh)(mh)
(mh)(mh)
(mh)25
-
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
3.1.4 Megenauigkeit
Die Genauigkeit der Meverfahren ist fr die Bestimmung der
interessierenden Me-gren entscheidend.
Der verwendete Druckmeumformer fr die Aufnahme des Sumpfpegels
besitzt eine Megenauigkeit von 0.1% des maximalen Mebereichs
(200mbar). Diese hohe Mege-nauigkeit - zusammen mit der
Reduizierung des Sumpfdurchmessers - erlaubt bei stil-lem
Flssigkeitspegel eine Megenauigkeit des Flssigkeitsinhalts von
. Durch die fallenden Tropfen und den bewegten Flssigkeitspegel
verschlechtert sich die Genauigkeit. Durch die Kalibration
(Bercksichtigung der fal-lenden Tropfen) und der Mittelung ber
mehrere Sumpfpegelmessungen erreicht die Volumenbilanzmetechnik
eine Genauigkeit von . Dies zeigt sich auch in der guten
Reproduzierbarkeit der Mewerte bei Wiederholungsmessungen.
Die Kapazittsmessung des Flssigkeitsinhalts besitzt aufgrund des
eingesetzten Przi-sionsmeinstrument eine hohe Genauigkeit (siehe
HEWLETT PACKARD 1996). Die Ungenauigkeit der Gre Flssigkeitsinhalt
liegt nicht auf der Seite der Megre, son-
Abbildung 3.10:Kalibrationskurve fr die Bestimmung des
Flssigkeitsinhalts aus der Megre Kapazitt (Kunststoff-Fllkrper
Hiflow 25mm)
Kapa
zitt
C(10
MH
z)
Holdup h
100
200
300
400
pF
m/m
600
0.10.080.06
B= 9 m/m/hB= 16 m/m/hB= 30 m/m/hB= 6 m/m/hB= 16 m/m/hB= 26
m/m/h
3,2 410 m3 m3
1,0 310 m3 m326
dern auf der in der Auswertung getroffenen Annahmen
(Gleichverteilung der Flssig-
-
3.2 Versuchsdurchfhrung
keit im Mevolumen, vgl. Kap. 3.1.3). Die erreichte Megenauigkeit
ist damit von der apparativen Ausfhrung der Kolonne abhngig; im
verwendeten Versuchsaufbau erreicht das Meverfahren eine der
Volumenbilanzmetechnik vergleichbare Genauig-keit.
3.2 Versuchsdurchfhrung
Mit der Festlegung auf bestimmte Memethoden nimmt man auch die
spezifischen Nachteile bzw. Problemfelder dieser Verfahren in Kauf.
Diese einzugrenzen bzw. zu minimieren mu die Aufgabe des
Experimentators sein und kann durch die Wahl bestimmter apparativer
Varianten oder auch durch eine geeignete Versuchsdurchfh-rung
geschehen.
Die auftretenden Probleme bei der Kapazittsmemethode knnen durch
apparative Verbesserungen (z.B. Schirmelektrode zur Abschirmung von
Strfeldern) gelst wer-den. Die Problematik des Austrags bei der
Volumenbilanzmetechnik mu durch eine spezielle Versuchsdurchfhrung
quantifiziert werden.
Der zunchst verfolgte Weg, den Flssigkeitsaustrag ber eine
apparative Modifikation (geschlossener Gaskreis) zu verhindern,
erwies sich als nicht praktikabel, da es zu Anreicherungen von
Flssigkeitstrpfchen im Geblse und Problemen durch
Schmier-mittelaustrag kam. So mute der Austrag von Flssigkeit in
Form von Wasserdampf und Trpfchen zugelassen werden. Durch
Festlegung eines geeigneten Meablaufs wurde dieser quantifiziert
und in der Auswertung bercksichtigt. Der entwickelte
Ver-suchsablauf ist in Abb. 3.11 als Fludiagramm dargestellt.
Zu Beginn eines Versuchs wird das Flssigkeitsvolumen im Sumpf
der Kolonne auf ein definiertes Gesamtvolumen ergnzt. Hiermit liegt
das Basisvolumen des Versuchs fest. Jeder nachtrgliche manuelle
Eingriff (Nachfllen, Ablassen von Flssigkeit) mu in der Bilanz
entsprechend bercksichtigt werden.
Am Anfang jedes Versuchs steht die Bestimmung des
Haftflssigkeitsinhalts. Hierzu wird die Packung zunchst mit einer
Flssigkeitsbelastung (ca. 20 m/(mh)) fr 20 Minuten berieselt. Der
Wert fr diese Vorlaufzeit wurde aus Vorversuchen gewonnen, in denen
fr verschiedene Packungen der Verlauf des Flssigkeitinhalts ber der
Zeit aufgezeichnet wurde. Praktisch fr alle Packungen gilt, da nach
einer Berieselungs-dauer von 15 Minuten keine signifikanten
nderungen im Flssigkeitsinhalt zu beob-achten sind. Abb. 3.12 zeigt
den Verlauf des Flssigkeitsinhalts fr einen solchen Vorversuch.
Diese gemessenen Vorlaufzeiten gelten allerdings nur fr Packungen,
die 27
-
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
Abbildung 3.11:Ablaufdiagramm fr Versuchsdurchfhrung
Flssigkeit im Kolonnensumpf ergnzen,bis definiertes Volumen
erreicht ist.
Start
Berieselung starten. Nach definierter EinlaufzeitBerieselung
stoppen und Abtropfzeit abwarten.
Haftflssigkeitswert aus Volumenabnahme im Sumpf bestimmen
Flssigkeitsvolumenstrom einstellen. Packungdefinierte
Einrieselzeit lang mit Flssigkeit beaufschlagen.
Flssigkeitsinhalt h ber Sumpfvolumen messen.ref
Gasvolumenstrom einstellen.Definierte Einschwingzeit
abwarten.
Erreicht Sumpf stationren Pegel?
Druckverlustmessung und Sumpfpegelmessungdurch Mittelung ber
Mehrfachmessungen durchfhren.
Gasvolumenstrom abschalten. Nach definierter Zeit densich
ergebenden Sumpfpegelwert messen und
Referenzwert h als Austrag
bercksichtigen.refVolumendifferenz
zu
Weiterer Gasvolumenstromwertin Meprogramm vorgesehen?
Weiterer Flssigkeitsvolumenstromwertin Meprogramm
vorgesehen?
Ende
Nein
Nein
Ja
Ja
Nein
Ja28
-
3.2 Versuchsdurchfhrung
bereits in Versuchen eingesetzt wurden und nicht fabrikneu sind.
Neue Metall- und Kunststoffpackungen mssen zunchst entfettet
werden. Sie wurden im Rahmen dieser Arbeit vor den Experimenten
einige Tage in der Versuchskolonne berieselt, wobei die verwendete
Flssigkeit stndig erneuert wurde.
Nach Abschalten der Berieselung und einer definierten
Abtropfzeit von 20 Minuten (Ermittlung dieser Zeit analog zu obigem
Vorgehen bei der Bestimmung der Vorlauf-zeit) wird eine
Sumpfpegelmessung durchgefhrt, und aus dieser Abnahme kann der
Haftflssigkeitsinhalt bestimmt werden.
Nach der Bestimmung des Haftflssigkeitsinhalts folgt die
Vermessung der verschiede-nen Flssigkeitsbelastungen bei
Gasgegenstrom. Zunchst wird der erste Flssigkeits-strom aus der
Liste der zu untersuchenden Flssigkeitsbelastungen eingestellt.
Nach der Vorlaufzeit (wie auch schon bei der Bestimmung des
Haftflssigkeitsinhalts 20 Minuten) wird bei laufender
Flssigkeitsaufgabe der Pegel des Sumpfs bestimmt. Da diese
Ermittlung aufgrund der stndig auftreffenden Tropfen (unruhiger
Pegel) nicht mit einer einzigen Messung zu bewerkstelligen ist,
wird hier der Mittelwert aus 20 in Sekundentakt ausgelsten
Messungen verwendet. Der so ermittelte Sumpfpegel dient
Abbildung 3.12:Vorversuch zur Bestimmung der Vorlaufzeit zur
Bestimmung des Flssigkeitsinhalts
0 100 200 300 400 500 600 s 8000.05
0.06
0.07
Versuchsdauer
m/m
Ges
amtfl
ssig
keits
inha
lth g
es29
im weiteren Versuchsablauf als Referenzwert fr die
Quantifizierung des Austrags.
-
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
Nachdem die Kolonne ohne Gasgegenstrom einen stationren Zustand
erreicht hat, kann durch Zuschaltung des Gasgegenstroms (erster
Wert aus der Liste des Mepro-gramms) der Einflu des Gasstroms auf
den Flssigkeitsinhalt untersucht werden. Stellt sich innerhalb
einer definierten Wartezeit (2 Minuten) ein stationrer Zustand
(Sumpf-pegel konstant) ein, so erfolgt die Differenzdruckmessung
ber die Packung, die Sumpfpegelmessung fr die Bestimmung des
Flssigkeitinhalts (jeweils integriert ber 20 Mewerte) und die
Kapazittsmessung des Kolonnensegmentes. Erreicht der Sumpf (und
damit die Packung) hingegen keinen stationren Zustand, so hat man
die Flut-grenze der Packung bereits erreicht. Das Meprogramm fr
diese Flssigkeitsbelastung wird dann abgebrochen und mit der
nchsten Flssigkeitsbelastung im Meprogramm fortgefahren.
Nach Abschlu der Druckverlust-, Sumpfpegel- und Kapazittsmessung
wird der Gas-gegenstrom abgeschaltet und nach einer Beruhigungszeit
(10 Minuten) bei nicht vern-derter Flssigkeitsbelastung der Pegel
des Sumpfs (wiederum ber die Mittelung von 20 Medaten) ermittelt.
Aufgrund des Austrags whrend des Gasgegenstroms liegt der nun
ermittelte Wert fr den Sumpfpegel unter dem des am Anfang des
Versuchs bestimmten Referenzwerts. Diese Abweichung wird als
Volumendefekt in der Bilanz bercksichtigt.
Ist ein weiterer Gasvolumenstromwert im Versuchsprogramm
vorgesehen, so wieder-holt sich die Prozedur mit diesem neuen
Volumenstrom. Nach Durchlaufen aller Gasvo-lumenstromwerte (bzw.
beim Fluten der Packung) wird die nchste Flssigkeits-belastung
untersucht, und das Vorgehen wiederholt sich.
Aus der Summe der Wartezeiten innerhalb einer Versuchsreihe lt
sich bereits der groe Zeitaufwand fr das vollstndige Vermessen
einer Packung ablesen. Hinzu kom-men die notwendigen
Trocknungszeiten von Packungen nach dem Versuch (ca. 4 Stun-den)
und bei keramischen Packungen noch die Trocknungszeiten vor
Versuchsbeginn (keramische Packungen werden in die Kolonne na
eingefllt, d.h. die Fllkrper wer-den in die mit Flssigkeit gefllte
Kolonne geschttet, um die Gefahr des Bruchs der Fllkrper zu
minimieren). Durch die Automatisierung des Versuchsablaufs konnten
die Versuchsreihen mit hoher Reproduktiongenauigkeit und auch ohne
stndige ber-wachung durch eine Aufsichtsperson durchgefhrt werden.
Dies ermglichte die Durchfhrung mehrerer Versuche
(Kontrollmessungen) fr jede Packung.30
-
3.3 Versuchsprogramm
3.3 Versuchsprogramm
Durch die Wahl der online-fhigen Metechnik konnten in den
eigenen Versuchen Druckverlust und Flssigkeitsinhalt simultan
gemessen werden. Da in der Modellie-rung von Holdup und
Druckverlust solche Datenstze fr eine Anpassung notwendig sind,
gleichzeitig jedoch in der Literatur praktisch keine solchen Daten
verfgbar sind, bilden diese Messungen die Basis fr diesen Teil der
Modellierung.
Die Tab. 3.1 gibt eine Zusammenfassung der untersuchten
Packungen. Keiner der ver-messenen Fllkrper hat einen
Nenndurchmesser von mehr als 25mm, da aufgrund des
Kolonnendurchmessers von 240mm grere Fllkrper technisch nicht
sinnvoll einge-setzt werden knnen. In der Praxis geht man als
Faustregel von einem Verhltnis von Fllkrpernenndurchmesser zu
Kolonneninnendurchmesser von 1:10 als untere Grenze aus. Die
Flssigkeitsbelastung wird durch die Bauart des
Flssigkeitsverteilers und die Frderleistung der eingesetzten Pumpen
limitiert. Zum Einsatz kam nur das Stoffsy-
Tabelle 3.1:Vermessene Packungen
Nr. Packung Nenngre Material Hersteller
1 Raschigring 10mm Keramik jeder
2 15mm
3 20mm
4 25mm
5 Berlsattel 8mm
6 Torussattel 25mm Polypropylen
7 Rafluxring 15mm RAUSCHERT8 25mm
9 Hiflowring 25mm
10 Pallring 25mm jeder
11 Hackette 25mm VFF12 VSP-Ring 25mm
13 Mellapak 250.Y SULZER14 Hiflowring 25mm Edelstahl RAUSCHERT15
Rafluxring 25mm
16 Super-Ring No. 1 RASCHIG17 IMTP-Ring 25mm NORTON18 Mellapak
250.Y SULZER31
-
3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung
stem Luft/Wasser, da organische Flssigkeiten den
Kolonnenwerkstoff (transparentes PVC) und Leitungen angreifen.
Die Ergebnisse der Versuche flieen in die Datenbasis fr die
Modellierung des Fls-sigkeitsinhalts (vgl. Kap. 4.2.1) und des
Druckverlusts (vgl. Kap. 5.1) ein. Gleichzeitig bilden die eigenen
Versuche die Grundlage fr die Anpassung der Konstanten fr den
Gegenstromeinflu des Flssigkeitsinhalts oberhalb der Staugrenze
(vgl. Kap. 4.2.4).
3.4 Zusammenfassung
Die beiden eingesetzten Meverfahren bieten die Mglichkeit
online, die Megre Flssigkeitsinhalt zu liefern. Aufgrund ihres
geringen Aufwands an Metechnik bietet sich das
Volumenbilanzverfahren fr Versuchsanlagen an. Um den relativ groen
Auf-wand an Korrekturmechanismen zu umgehen, empfiehlt es sich,
einen zustzlichen Ausgleichsbehlter zu installieren und den Pegel
des Kolonnensumpfs konstant zu hal-ten. Ein socher externer
Ausgleichsbehlter bietet auch die Mglichkeit, statt der
Diffe-renzdruckmessung des Sumpfs eine Waage einzusetzen.
Die Kapazittsmetechnik erffnet neue Mglichkeiten bei der
Untersuchung im Betrieb befindlicher Kolonnen. Da bei der
Berechnung der Kapazitt eines Schalenkon-densators nur der
Umschlieungswinkel und die Hhe der Kondensatorplatten eingeht, kann
die an der Technikumsanlage eingesetzte Metechnik auf andere
Kolonnengeo-metrien einfach bertragen werden. Dem Problem der
Ungleichverteilung im Mevolu-men und die dadurch verursachte Gefahr
von Mefehlern kann durch den Einsatz von Segmentelektroden begegnet
werden. Um ein noch ausreichend groes Mesignal zu erhalten,
scheinen vier Elektroden, die jweils geeignet verschaltet werden,
ausreichend zu sein.32
-
4 Flssigkeitsinhalt von Packungen
Der Flssigkeitsinhalt (Holdup) stellt die Schlsselgre zur
Beschreibung der Fluid-dynamik und der Trennleistung von
Packungskolonnen dar. So hngt der Druckverlust einer Packung
mageblich vom Flssigkeitsinhalt ab, er ist signifikant fr die
Betriebs-grenze einer Packung, und die von Holdup gebildete
benetzte Oberflche ist entschei-dend fr die
Stoffbertragungsleistung einer Packung. Zwar interessiert die Gre
selbst quantitativ nur selten (Ausnahmen stellen hier nur z.B. die
Reaktiv- und die Batchrektifikation dar), jedoch ist eine
Modellierung der Fluiddynamik und des Stoff-bergangs ohne eine
gesicherte Holdupkorrelation nicht denkbar.
Der Flssigkeitsinhalt einer Packung wird von
packungsspezifischen Parametern (Struktur, Oberflche, Werkstoff),
von Betriebsgren (Flssigkeits- und Gasbelastung) sowie den
physikalischen Daten der Fluide beeinflut.
Abb. 4.1 zeigt den typischen Verlauf des Flssigkeitsinhalts ber
der Gasbelastung fr verschiedene Flssigkeitsbelastungen. Bei
konstanter Flssigkeitsberieselung verndert sich unterhalb der sog.
Staugrenze der Flssigkeitsinhalt bei steigendem Gasgegen-strom nur
schwach, oberhalb der Staugrenze hingegen verzeichnet man einen
starken Anstieg.
Abb. 4.2 gibt die Abhngigkeit des Holdup ohne Gasgegenstrom ber
der Flssigkeits-belastung wieder. Man erkennt, da bei stetiger
Verringerung der Berieselung der Fls-sigkeitsinhalt einen Grenzwert
erreicht. Dieser Grenzwert stellt den sog. Haftflssigkeitsinhalt
dar und beschreibt die in der Packung verbleibenden
Fls-sigkeitsanteile, die unter Schwerkrafteinflu aufgrund von
Adhsions- und Kapillar-krften nicht ausrieseln knnen.
hHaft33
Der den Haftflssigkeitsanteil bersteigende Holdup kann als
Betriebsflssigkeitsinhalt oder dynamischer Flssigkeitsinhalt
bezeichnet werden.
BRAUER 1971 gibt eine anschauliche Erklrung fr die verschiedenen
Anteile des Flssigkeitsinhalts (Abb. 4.3). Der dynamische
Flssigkeitsinhalt bildet Filme auf der Oberflche der Packung. In
Berherungspunkten von Packungsobjekten kommt es zu
hdyn
-
4 Flssigkeitsinhalt von Packungen
Abbildung 4.1: Flssigkeitsinhalt in Abhngigkeit des
Gasgegenstroms (Fllkrper IMTP 25, Edelstahl)
Abbildung 4.2: Flssigkeitsinhalt in Abhngigkeit der
Flssigkeitsbelastung ohne Gasgegenstrom (Fllkrper IMTP 25,
Metall)
Gasbelastung F-Faktor1.0
0.08
B = 5 m/(mh)B = 10 m/(mh)B = 16 m/(mh)B = 30 m/(mh)
Pa0.5
m/mFl
ssi
gkei
tsin
halt
h 0.10
0.09
0.07
0.06
0.050.80.60.4
ges
Flssigkeitsbelastung B
m/m
Fls
sigk
eits
inha
lth
1 10
0.10
m/(mh)
hHaft
0.08
0.06
ges34
-
4.1 Haftflssigkeitsinhalt
Flssigkeitsansammlungen, die zwar ausgetauscht werden, bei
Abschalten der Flssig-keitsberieselung jedoch nicht ausrieseln
knnen. Kap. 4.1 behandelt den Haftflssig-keitsinhalt und
entwickelt, ausgehend von verffentlichten Modellen, eine neue
Beschreibung dieses Flssigkeitsanteils. Die Herleitung eines
empirischen Modells zur Beschreibung des dynamischen
Flssigkeitsinhalts unterhalb der Staugrenze steht im Mittelpunkt
von Kap. 4.2. Der Einflu des Gasgegenstroms auf den Holdup wird
dann in Kap. 4.2.4 untersucht und eine Korrelation fr den Bereich
oberhalb der Staugrenze vorgestellt.
4.1 Haftflssigkeitsinhalt
4.1.1 Experimentelle Daten zum Haftflssigkeitsinhalt
Eine groe experimentelle Datenbasis fr den Haftflssigkeitsinhalt
aufzubauen ist schwierig, da es pro Packung und Flssigkeit nur
einen Wert gibt. Neben den in eigenen Versuchen vermessenen
Packungen (vgl. Kap. 3.3) konnte mit den verffentlichten Daten von
SHULMAN ET AL. 1955, BUCHANAN 1967, GELBE 1968B und GOTO UND
GASPILLO 1992 fr organische Flssigkeiten und klassische
Fllkrperformen die Datenbasis abgerundet werden.
Der abgedeckte Wertebereich fr Geometriedaten und physikalische
Gren der Fls-sigkeit ist in Tab. 4.1 aufgefhrt.
Abbildung 4.3: Anteile des Flssigkeitsinhalts (nach BRAUER
1971)
Hafthhdyn
Hafth35
-
4 Flssigkeitsinhalt von Packungen
4.1.2 Verffentlichte Modellanstze zum Haftflssigkeitsinhalt
Im Gegensatz zu der Vielzahl von Modellen zum
Gesamtflssigkeitsinhalt in Packun-gen (vgl. Kap. 4.2) findet man
nur wenige Anstze zum Haftflssigkeitsinhalt.
SHULMAN ET AL. 1955 vermessen drei verschiedene Fllkrpertypen
und geben eine dimensionsbehaftete Beziehung fr den
Haftflssigkeitsinhalt an.
GELBE 1968A kann mit seiner grafischen Korrelation die eigenen
Experimentaldaten sowie die Daten von SHULMAN ET AL. 1955 gut
wiedergeben. Er trgt dabei die Haft-flssigkeitsdaten ber der sog.
Bondzahl auf. Diese bildet er mit dem hydraulischen Durchmesser der
Fllkrper (Gleichung (4.1)).
(4.1)
Bis zu einer Bondzahl von 8 kann nach seiner Angabe mit einem
konstanten Haftfls-sigkeitsinhalt von 0.031 m/m gerechnet werden.
Fr den Bereich grerer Bondzah-len gibt er den Exponenten der
fallenden Kurve mit -0.7 an.
Die von MERSMANN UND DEIXLER 1986 verffentlichte grafische
Beziehung zur Bestimmung des Haftflssigkeitsinhalts (fr Fllkrper
mit einem Nenndurchmesser von 4 bis 38mm) bedient sich ebenfalls
der Bondzahl als charakteristischer Gre, wenngleich hier gegenber
der unter Gleichung (4.1) zitierten Definition noch ein kon-stanter
Faktor einbezogen wird.
BLA UND KURTZ 1976 verwenden ebenfalls die Bondzahl, bilden
diese aber mit dem Kehrwert der spezifischen Oberflche als
charakteristische Lnge:
(4.2)
Tabelle 4.1: Variationsbreite der
Haftflssigkeitsinhalt-Datenbank
Physikalische Daten der Flssigkeit Packung
Gre Dichte Oberflchen-spannung
dyn. Visko-sitt
Lcken-grad
Oberflche
Einheit
min 789 0.022 0.0006 0.371 140
max 1588 0.0863 0.23 0.975 1330
L L L ageo
kgm3------ Nm----
kgm s-----------
m3
m3------ m
2
m3------
dh
Bo WeFr--------g LL
------------- dh2
g LL
------------- 4 ageo----------
2= = =
Bo WeFr--------g L a2--------------------= =36
L geo
-
4.1 Haftflssigkeitsinhalt
Fr zwei Bereiche der so definierten Bondzahl geben die Autoren
Bestimmungsglei-chungen fr den Haftflssigkeitsinhalt an:
fr (4.3)
fr (4.4)
Damit ist das Modell in der Lage, Packungen mit einem mittleren
relativen Fehler von 19% zu beschreiben1. Der Vergleich des Modells
mit den verfgbaren Haftflssigkeits-daten zeigt Abb. 4.4.
1. Grundlage dieser Aussage ist der Vergleich des Modells mit
der Haftflssigkeitsdatenbank (vgl. Kap. 4.2.1). Diese Datenbank
enthlt auch Packungsstrukturen, die zum Zeitpunkt der
Verffentlichung des Modells noch
Abbildung 4.4: Haftflssigkeitsinhalt, Modell von BLA UND KURTZ
1976
hHaft 0,037 Bo0,07
= Bo 1ageo 200m
2 m3< C 0,83= D 1 3=C 0,62= D 1 4=
uG Fl,
h0 2,2L
L g2
--------------- 13--- uL ageo
6 2-------------------
0,5
=
h hFl hFl h0( ) 1uG uG Fl, 0,65
0,35-------------------------------------- 2
+=
hFl
0,24 1uL
uG Fl,-----------
----------------------------------------- 1,254uL
uG Fl,----------- 0,48
uLuG Fl,----------- 1
uLuG Fl,----------- +
1 21,12
uLuG Fl,-----------
=
41
-
4 Flssigkeitsinhalt von Packungen
mit (4.12)
Der Vergleich der Beziehung mit der unter Kap. 4.2.1
beschriebenen Datenbasis ergibt eine mittlere relative Abweichung
von 31% fr den Bereich unterhalb der Staugrenze.
Modell von Billet und Schultes (BILLET 1993 und BILLET UND
SCHULTES 1993)
Die Autoren leiten unter der Voraussetzung der laminaren Strmung
an einer senkrech-ten Platte ein theoretisches Modell fr den
Gesamtflssigkeitsinhalt ab. Ohne Berck-sichtigung des Einflusses
des Gasgegenstroms fhrt dies auf die Gleichung (4.13).
(4.13)
Der so abgeleitete Wert fr den Flssigkeitsinhalt wird von den
Autoren in der Modellierung von Fluiddynamik und Stoffbergang
verwendet. Zur Beschreibung der realen Flssigkeitsanteile einer
Packung unterhalb der Staugrenze fhren die Autoren noch einen
Korrekturterm ein (vgl. Gleichung (4.14)). Die hier eingefhrte
Konstante
ist packungsspezifisch, wird fr eine Flssigkeitsreynoldszahl
grer 5 mit dem Korrekturfaktor 0.85 belegt und mu den
Verffentlichungen der Autoren entnommen werden.
(4.14)
Die Bercksichtigung des Gasgegenstroms erfolgt strukturell wie
in der Arbeit von BORNHTTER 1991, wobei der Exponent jedoch auf den
Wert 13 erhht wird.
(4.15)
Die Berechnung von Flssigkeitsinhalt und Gasgeschwindigkeit am
Flut-punkt erfolgt ber eine Iteration der impliziten Gleichung
(4.16) und der Gleichung (4.17).
(4.16)
(4.17)
uG Fl, 0,565 65---
16--- dh
dT-----
1 4/ dT g G
------------------------ 1 2/
1 hFl( ) = dTL g--------------=
h0 theo,12 L uL ageo2
g L----------------------------------------
1 3/=
h0 theo,
Ch
h012 L uL a
2
g L------------------------------------
1 3
ChuL L
ageo L--------------------
0,25 uL2 ageo
g------------------- 0,1
=
h h0 hFl h0( )uG
uG Fl,-----------
13+=
hFl uG Fl,
hFl3 3 hFl ( ) 6 a
2
g----- LL------
GL------ uG Fl, =
uG Fl,2 g hFl L
Fl ageo G ---------------------------------------- hFl( )3
2=42
-
4.2 Gesamtflssigkeitsinhalt
Der Widerstandsbeiwert wird dabei unter Einbeziehung einer
packungsspezifi-schen Konstante errechnet.
Der Vergleich der Beziehung mit der unter Kap. 4.2.1
beschriebenen Datenbasis ergibt eine mittlere relative Abweichung
von 27% fr den Bereich unterhalb der Staugrenze. Dabei knnen jedoch
nur 16% der Medaten geprft werden, da nur fr diese
pak-kungsspezifische Konstanten von den Autoren verffentlich
sind.
Modell von Stichlmair (STICHLMAIR ET AL. 1989)
Diese von STICHLMAIR ET AL. 1989 publizierte empirische
Beziehung basiert auf der Auswertung einer Vielzahl verffentlichter
Daten, bleibt jedoch auf wrige Systeme beschrnkt. Unterhalb der
Staugrenze wird der Flssigkeitsinhalt durch Gleichung (4.18)
beschrieben, wobei der Term die um eine Schwarmkorrektur erweiterte
Froude-zahl darstellt.
(4.18)
Oberhalb der Staugrenze erfolgt die Beschreibung des
Flssigkeitsinhalts ber einen multiplikativen Term, in dem der
spezifische Gesamtdruckverlust die entscheidende Gre darstellt
(Gleichung (4.19)). Die im Rahmen dieser Arbeit durchgefhrten
Mes-sungen an unterschiedlichsten Packungen knnen diesen
Zusammenhang besttigen (siehe Kap. 4.2.4). Die Berechnung des
Holdup oberhalb der Staugrenze kann aufgrund der Verknpfung von
Druckverlust (vgl. Kap. 5.2.4) und Flssigkeitsinhalt nur iterativ
vorgenommen werden.
(4.19)
Der Vergleich der Beziehung mit der unter Kap. 4.2.1
beschriebenen Datenbasis ergibt eine mittlere relative Abweichung
fr den Bereich unterhalb der Staugrenze von 32% fr wrige Systeme
und 42% fr die gesamte Datenbasis.
Fl
Ch
h0 0,555uL
2 ageog 4,65
--------------------- 1 3=
h h0 1 20pges LL g
-------------------- 2
+=43
-
4 Flssigkeitsinhalt von Packungen
4.2.3 Modellierung des Gesamtflssigkeitsinhalts ohne
Gasgegenstrom
Die groe Zahl der verffentlichten - meist empirischen - Modelle
und ihr einge-schrnkter Gltigkeitsbereich zeigt, wie schwierig die
Gre Flssigkeitsinhalt einer Vorausberechnung zugnglich ist.
Vergleicht man die verschiedenen Anstze hinsicht-lich ihrer
Vorhersagegenauigkeit mit experimentellen Daten, so ist eine
mittlere relative Abweichung von ca. 30% die Regel.
Zur Modellierung des Flssigkeitsinhalts scheint eine
Beschreibung der strmungstech-nischen Phnomene in einer Packung zu
komplex. So kann z.B. die von BILLET 1993publizierte Beschreibung
einer laminaren Filmstrmung auf der Packungsoberflche alleine nicht
die auftretenden Effekte beschreiben und mu im Laufe der
Modellent-wicklung ber empirische Faktoren korrigiert werden.
Auch die Arbeit von BORNHTTER 1991 untersucht zwar sehr
detailliert die str-mungstechnischen Phnomene in Packungskolonnen,
verwendet fr die Beschreibung des Flssigkeitsinhalts jedoch einen
rein empirischen Ansatz. Die Arbeit von HANLEY ET AL. 1994 stellt
eine Analogie zwischen Packung und einem elektrischen Netzwerk her.
Die groe Zahl von anzupassenden Parametern weicht den theoretischen
Anspruch des Modellansatzes jedoch auf.
Der in dieser Arbeit verfolgte Weg versucht nicht, die
Einzelphnomene der Benetzung modellhaft zu beschreiben, sondern auf
Basis einer mglichst groen Zahl unterschied-lichster Stoffsysteme
und Packungsgeometrien eine allgemeine empirische Beschrei-bung des
Flssigkeitsinhalts zu erreichen. Dazu wird, ausgehend von einem
vollstndigen Kennzahlensatz und einer geeigneten Verknpfung der
dimensionslosen Kennzahlen, eine Anpassung der Modellparametern an
die experimentelle Datenbasis vorgenommen.
Kennzahlen werden besonders in den Ingenieurwissenschaften hufig
eingesetzt, um eine bersichtliche und allgemeingltige Darstellung
von komplexen Zusammenhn-gen zu erreichen. Das genaue Vorgehen zur
Aufstellung eines vollstndigen Kennzah-lensatzes ist allgemein in
STICHLMAIR 1990 beschrieben und wird im Folgenden nur
skizziert.44
-
4.2 Gesamtflssigkeitsinhalt
Die Basis zur Aufstellung des Kennzahlensatzes fr den Bereich
unterhalb der Stau-grenze bilden die den Flssigkeitsinhalt
beeinflussenden Gren
Erdbeschleunigung g Flssigkeitsbelastung
(Leerrohrgeschwindigkeit der Flssigkeit) Flssigkeitsdichte
dynamische Flssigkeitsviskositt Oberflchenspannung der Flssigkeit
Lckengrad der Packung spezifische geometrische Packungsoberflche
.
Die Aufnahme einer charakteristischen Nennabmessung (z.B.
Durchmesser eines Fll-krpers) scheint entbehrlich, da ber die
spezifische geometrische Packungsoberflche (bzw. deren Kehrwert)
eine Gre zur Beschreibung der Packung zur Verfgung steht (vgl. auch
die Bildung der Bondzahl in Kap. 4.1.3). Auch wrde eine
Nennabmessung wie der Fllkrperdurchmesser das zu entwickelnde
Modell auf Fllkrper beschrn-ken.
Da es sich beim Lckengrad der Packung um eine dimensionslose Gre
handelt, ver-bleiben sechs physikalische Gren in der Relevanzliste,
die ber die drei Basiseinhei-ten Lnge, Zeit und Masse beschrieben
werden knnen.
Diese Gren werden in die Dimensionsmatrix (vgl. Tab. 4.3)
eingetragen.
Formt man durch geeignete Zeilentransformationen die Matrix so
um, da sich fr die linke 3x3-Matrix die Einheitsmatrix ergibt, so
knnen aus den brigen Spalten die dimensionslosen Kennzahlen
abgelesen werden (vgl. Tab. 4.4).
Tabelle 4.3: Einheitenmatrix der physikalischen Gren
Lnge [m] 1 -1 -3 1 -1 0
Zeit [s] -2 0 0 -1 -1 -2
Masse [kg] 0 0 1 0 1 1
Tabelle 4.4: Einheitssubmatrix als Ergebnis geeigneter
Zeilenumformungen
Lnge [m] 1 0 0 0.5 0.5 1
Zeit [s] 0 1 0 -0.5 -1.5 -2
Masse [kg] 0 0 1 0 1 1
uLL
LL
ageo
g ageo L uL L L
g ageo L uL L L45
-
4 Flssigkeitsinhalt von Packungen
Es ergeben sich (neben dem Lckengrad der Packung) drei
dimensionslose Kennzah-len:
Die Kennzahl stellt eine dimensionslose Geschwindigkeit dar. Sie
ist als
Froudezahl bekannt und charakterisiert die Filmstrmung auf
ebenen Flchen.
Die Kennzahl beschreibt eine dimensionslose dynamische
Viskositt.
Der reziproke Wert der Kennzahl wird als Gallilei-Zahl
bezeichnet und beschreibt den Strmungszustand von
Flssigkeitsfilmen.
Die Kennzahl ist eine dimensionslose Oberflchenspannung. Sie
wird
als Bondzahl bezeichnet und stellt den Quotienten aus Froude-
und Weberzahl dar. Sie steht fr die Beschreibung des Abtropf- und
Benetzungsverhaltens und wurde in dieser Funktion bereits zur
Beschreibung des Haftflssigkeitsinhalts (vgl. Kap. 4.1)
verwen-det.
Um die gewonnenen Kennzahlen zur Beschreibung des
Flssigkeitsinhalts unterhalb der Staugrenze ( ) nutzen zu knnen,
mssen sie in geeigneter mathematischer Form verknpft werden. Dabei
mu die funktionale Beschreibung prinzipiell den Verlauf (vgl. Abb.
4.2) des Holdup wiedergeben knnen. Der in Gleichung (4.20)
dargestellte Funktionstyp als Addition eines konstanten Terms
(Haftflssigkeitsinhalt ) und eines flssigkeitsabhngigen Anteils
(dynamischer Flssigkeitsinhalt ) ist dazu geeignet.
(4.20)
Fr die Beschreibung des dynamischen Anteils des
Flssigkeitsinhalts unterhalb der Staugrenze bietet sich ein
Potenzprodukt (Gleichung (4.21)) an.
(4.21)
Die Konstanten bis in dieser Beziehung werden ber eine Anpassung
an die in Kap. 4.2.1 beschriebene Datenbasis angepat, wobei der
Gesamtflssigkeitsinhalt (bei modelliertem Haftflssigkeitsinhalt)
als Anpassungsgre verwendet wird.
Diese Anpassung ergibt fr die Kostante den Wert von 0. Dies
bedeutet, da der Lckengrad der Packung keinen mageblichen Einflu
auf den Flssigkeitsinhalt der Packung besitzt. Dies ist auf den
ersten Blick vielleicht berraschend. Die Flssigkeit
uuL ageo
1 2
g1 2-------------------=
L ageo
3 2
L g1 2
--------------------=
L ageo
2
L g--------------------=
h0
hHafthdyn0
h0 hHaft hdyn0+=
hdyn0
hdyn0 C1 uC2
C3 C4
C5 =
C1 C5
C546
-
4.2 Gesamtflssigkeitsinhalt
befindet sich jedoch in erster Linie auf der Oberflche der
Packung und nimmt keine Notiz von der Materialstrke der berstrmten
Flchen. Wre der Flssigkeitsinhalt vom eingesetzten
Packungsmaterialvolumen (also ) abhngig, mte der Flssig-keitsinhalt
einer geordneten Blechpackung bei gleicher spezifischer
Packungsoberfl-che eine Funktion der Blechstrke sein. Da dies aber
offensichtlich nicht der Fall ist, scheint die Vernachlssigung des
Lckengradeinflusses in der Modellierung des Holdup plausibel.
Die brigen Konstanten nehmen die in Gleichung (4.22)
dargestellten Werte an.
(4.22)
Der hohe Einflu (Exponentenwert 0.66) der Flssigkeitsbelastung
auf den dynami-schen Anteil des Flssigkeitsinhalts war zu erwarten
und findet sich in hnlicher Form in vielen anderen Modellen (siehe
auch Kap. 4.2.5). Der geringe Einflu der Bondzahl mit einem
Exponentenwert von 0.1 ist ebenso verstndlich, da diese statischen
Anteile bereits ber die Haftflssigkeitsanteile der Gleichung (4.20)
erfat sind.
Zur Visualisierung der Qualitt der Anpassung bietet sich die in
Abb. 4.6 gewhlte Form der Auftragung an. Die mittlere Abweichung
zwischen Experimentaldaten und Holdupbeziehung nach Gleichung
(4.22) betrgt 16%. 80% der Experimentaldaten knnen mit einer
relativen Abweichung von weniger als 30% beschrieben werden.
Die Streuung im Bereich niedriger Abszissenwerte ist auf
Meunsicherheiten im Bereich kleinster Berieselungsdichten
zurckzufhren. Eigene Messungen liegen in diesem Bereich nicht vor,
da aufgrund der Limitierung des Arbeitsbereichs des
Flssig-keitsverteilers keine gleichmige Verteilung garantiert
werden kann. Ob die hier von anderen Experimentatoren bernommenen
Daten dies - z.B. durch Verwendung von rotierenden Verteilern - in
allen Fllen gewhrleisten knnen, mu bezweifelt werden. Im Bereich
kleinster Berieselungsdichten ( ) ist der Einsatz von
Pak-kungskolonnen mit einem hohen Aufwand fr die gleichmige
Flssigkeitsverteilung verbunden und die Gefahr der Maldistribution
sehr gro. Fr solche Anwendungsflle werden normalerweise
Bodenkolonnen eingesetzt.
1
hdyn0 3,6uL ageo
1 2
g1 2-------------------
0,66 L ageo3 2L g
1 2
-------------------- 0,25 L ageo2
L g--------------------
0,1
=
hHaft
B 3m3 m2h( )
-
4 Flssigkeitsinhalt von Packungen
4.2.4 Modellierung des Gesamtflssigkeitsinhalts mit
Gasgegenstrom
Aufbauend auf einem Modell zur Beschreibung des
Flssigkeitsinhalts ohne Gasgegen-strom wird der Einflu des Gases
bei den meisten der in Kap. 4.2.2 vorgestellten Modellen ber einen
Faktor erfat, in den die auf die Flutgasgeschwindigkeit (maxi-male
Gasgeschwindigkeit bei konstanter Berieselungsdichte) bezogene
Gasgeschwin-digkeit mageblich eingeht (MACKOWIAK 1991, BORNHTTER
1991, BILLET UND SCHULTES 1993). Fr die Beschreibung der
Flutgasgeschwindigkeit stehen jeweils modellspezifische Anstze zur
Verfgung.
Der Anstieg des Holdup bei STICHLMAIR ET AL. 1989 wird ber die
Bercksichtigung des Gesamtdruckverlusts modelliert und basiert
dabei auf der Feststellung, da bei einer Auftragung des
Gesamtflssigkeitsinhalts ber dem Druckverlust die Staugrenze als
schmaler vertikaler Bereich beschrieben werden kann (vgl. Abb.
4.7).
Abbildung 4.6: Modell zum Gesamtflssigkeitsinhalt ohne
Gasgegenstrom (Datenbasis vgl. Kap. 4.2.1)
3.6 u0.66 0.250.1
10-4
10-3
10-2
10-1
100
1
10
100
ExperimentModel
h/h 0
Haf
t
h =dyn48
-
4.2 Gesamtflssigkeitsinhalt
Diese Charakteristik kann durch eine Funktion in Form der
Gleichung (4.23) beschrie-ben werden. Die Konstanten bei Stichlmair
betragen dabei fr und fr
.
(4.23)
In Anlehnung an diese Formulierung der Abhngigkeit der
Gesamtholdupsteigerung aufgrund des Gasgegenstroms kann auch die
Zunahme des dynamischen Flssigkeitsin-halts analog beschrieben
werden. Die Konstanten und werden ber eine Anpas-sung an
experimentelle Daten (Druckverlust und Holdup) bestimmt und ergeben
die in Gleichung (4.24) dargestellten Werte.
(4.24)
Die Gte dieser Beziehung kann durch die Auftragung der so
berechneten und gemes-senen Werte visualisiert werden (Abb.
4.8).
Abbildung 4.7: Gesamtflssigkeitsinhalt in Abhngigkeit des
Druckverlusts Fllkrper Raflux 25mm (PP); System Luft/Wasser;
Bereich der Staugrenze schraffiert
Spezifischer Gesamtdruckverlust pges/L
10 100 1000
Ges
amtfls
sigk
eitsinha
lt h
0.1
B = 5 m/(mh)B = 10 m/(mh)B = 15 m/(mh)B = 25 m/(mh)B = 30
m/(mh)
m/m
Pa/m
C1 20=C2 2=
h h0 1 C1pges LL g
-------------------- C2
+=
C1 C2
hdyn hdyn0 1 36pges LL g
-------------------- 2
+=49
-
4 Flssigkeitsinhalt von Packungen
Der experimentelle dynamische Flssigkeitsinhalt (Abszisse in
Abb. 4.8) errechnet sich dabei aus Gleichung (4.25). Die Berechnung
des dynamischen Holdup (Ordinate in Abb. 4.8) erfolgt nach
Gleichung (4.26). Insgesamt gehen dabei vier experimentelle Megren
ein: Der gesamte Flssigkeitsinhalt ohne Gasgegenstrom (am Anfang
eines Versuchs fr die jeweilige Flssigkeitsbelastung gemessen), der
Haftflssigkeits-inhalt (am Anfang des Versuchs gemessen), der
gesamte Flssigkeitsinhalt unter Betriebsbedingungen und der
spezifische Druckverlust unter Betriebsbedin-gungen .
(4.25)
(4.26)
Fr diese Form der Darstellung bentigt man Medatenstze mit
simultan vermesse-nem Holdup und spezifischem Druckverlust. Da in
der Literatur solche Daten praktisch nicht verfgbar sind, wurde
eigene Versuche durchgefhrt. Diese eigenen Versuchsda-ten (vgl.
Kap. 3.3) liegen der in Abb. 4.8 dargestellten Anpassung
zugrunde.
Abbildung 4.8: Parityplot des dynamischen Flssigkeitsinhalts mit
Gasgegenstrom
m/m
m/m0.080.060.040.04
0.06
0.08
0.10
0.10
Bere
chne
teW
erte
h dyn
,ber
Mewerte hdyn,exp
h0 exp,
hHaft exp,hexp
pges L( )exphdyn exp, hexp hHaft exp,=
hdyn ber, h0 exp, 1 36pges L( )expL g