Single drop based modelling of drop residence times in Kühni columns

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013) [Doktorarbeit]

Seite(n): VII, 120 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Tropfenpopulationsbilanzen-Tools wie „ReDrop“ bieten das Potential einer schnellen und effizienten Optimierung der Kompartmentgeometrie entlang von Kühni-Extraktionskolonnen. Um dieses Potential sicher zu nutzen, ist ein quantitatives Verständnis zum Einfluss der Kompartmentgeometrie und Betriebsgrößen wie Drehzahl und kontinuierlicher Gegenstrom auf die mittlere Tropfenverweilzeit und die Verweilzeitverteilung notwendig. Daher wird in dieser Arbeit mithilfe von Kühni-Kompartments der Einfluss von Geometrie und Betriebsgrößen auf die Verweilzeiten von Tropfen verschiedener Durchmesser systematisch untersucht. Dabei werden für jeden Betriebspunkt die Bewegungen von bis zu 100 Einzeltropfen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen. Bei der Analyse der Videoaufnahmen werden Tropfenverweilzeiten sowohl für das Gesamtkompartment als auch für drei verschiedene Kompartmentzonen erfasst. Diese Kompartmentzonen sind Zone 1 zwischen unterem Stator und Rührer, Rührer-Zone 2 und Zone 3 zwischen Rührer und oberem Stator. Des Weiteren werden Effekte wie Tropfenrückvermischung zwischen Kompartmentzonen und Kompartments sowie Phänomene wie Rührer- und Statorkontakt der Tropfen quantitativ ausgewertet. Diese detaillierte Auswertung des Tropfenverhaltens im Kompartment zeigt u.a., dass die mittlere Tropfenverweilzeit in der oberen Kompartment-Zone 3 bis zu viermal länger ist als in der unteren Zone 1. Es wird dann gezeigt, dass eine Reduzierung der Kompartmenthöhe von 20% bei gleichzeitiger asymmetrischer Positionierung des Rührers im Kompartment möglich ist, ohne dass sich die mittlere Tropfenverweilzeit maßgeblich ändert. Auf Basis der experimentellen Erkenntnisse wird das Zone-Walk-Modell zur Beschreibung der Tropfen-Verweilzeitverteilung in Kühni-Kompartments entwickelt, das mit stochastischen Methoden die Interaktionen des Tropfens mit Kolonneneinbauten und Strömungsfeld im Kompartment abbildet. Das Modell besteht aus 3 Untermodellen, eins für jede Zone. Tropfen können dabei durch Austrittsfrequenzen zwischen den einzelnen Zonen sowie Kompartments vorwärts- und rückvermischt werden. Es wird gezeigt, dass das Modell die Tropfenverweilzeiten in Kühni-Kompartments nicht nur für die untersuchten Kompartmentgeometrien und Betriebsgrößen mit guter Genauigkeit beschreibt, sondern auch erfolgreich auf weitere Kompartmentgeometrien und Stoffsysteme aus der Literatur extrapolierbar ist. Abschließend wird das Zone-Walk-Modell in „ReDrop“ implementiert und durch einen Abgleich von Simulationsergebnissen und Literaturdaten für zwei Kühni-Kolonnen im Technikumsmaßstab erfolgreich validiert.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Buchbender, Florian

Gutachterinnen und Gutachter

Pfennig, Andreas

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-46252
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-144810