CFD basierte Kompartimentmodellierung für gerührte Flüssig-Flüssig Extraktionskolonnen

  • CFD based compartment-model for stirred liquid-liquid extraction columns

Weber, Benedikt; Jupke, Andreas (Thesis advisor); Pfennig, Andreas (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series AVT. FVT - fluid process engineering 2 (2021)
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

In der chemischen Industrie finden gerührte Flüssig-Flüssig-Extraktionskolonnen eine breite Anwendung zur Stofftrennung. Zur modellbasierten Auslegung von Flüssig-Flüssig Extraktionskolonnen müssen Tropfenbewegung, Koaleszenz, Spaltung und Stofftransfer in Abhängigkeit der Kolonnengeometrie beschrieben werden. Dazu wurden bisher Modelle mit PBE (Population Balance Equation) verwendet, welche die Tropfeneigenschaftsverteilung entweder im ein- (ReDrop) oder im dreidimensionalen Raum mittels CFD-PBESimulationen abbilden. Allerdings können eindimensionale Modelle nicht uneingeschränkt für beliebige Kolonnengeometrien verwendet werden. CFD-PBE-Simulationen berücksichtigen die Kolonnengeometrie im Detail, sind aber sehr rechenaufwendig. In dieser Arbeit wurde ein CFDbasiertes Kompartiment-Modell am Beispiel einer Kühni-Extraktionskolonne entwickelt. Um die Kolonnengeometrie abzubilden, wird eine einphasige CFD-Simulation der kontinuierlichen Phase verwendet. Die PBE der dispersen Phase wird in CFD vernachlässigt, um die Rechenzeit kurz zu halten. Das einphasige Geschwindigkeitsfeld bildet die Basis für die Berechnung der Konvektion der kontinuierlichen Phase, Tropfenbewegung, Koaleszenz, Spaltung und Stofftransfer zwischen den Phasen im Kompartiment-Modell. Zunächst wurde die Sensitivität der Simulationsparameter im Kompartiment-Modell detailliert untersucht. So wurden die Solver zur Berechnung der Tropfenbewegung im Kompartiment-Modell mit in CFD implementierten Solvern verglichen. Die besten Solver wurden im Kompartiment-Modell identifiziert. Zusätzlich wurde der Einfluss der Zeitschrittweite auf die Berechnung der Tropfentrajektorien bewertet und Bereiche für die Simulationsparameter Skalierungsfaktor und Gitterauflösung bestimmt. Das Kompartiment-Modell wurde zur Simulation von mehreren Kolonnenexperimenten verwendet. Dabei wurden sowohl zwei Stoffsysteme mit deutlich unterschiedlichem Koaleszenz- und Spaltungsverhalten als auch verschiedene Kolonnenbelastungen und Rührerdrehzahlen getestet. Der Vergleich des Modells mit den Kolonnenexperimenten zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experimenten. Anschließend wurden die Simulationsergebnisse des Kompartiment-Modells mit den Ergebnissen eines eindimensionalen Modells (ReDrop) verglichen und das Potential beider Modelle aufgezeigt. Zusammenfassend wurde ein innovatives Simulationsmodell für gerührte Flüssig-Flüssig- Extraktionskolonnen entwickelt. Die Anwendbarkeit des CFD basierten Kompartiment-Modells wurde im Abgleich mit Experimenten bewiesen.

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