Deaeration in Rotating Packed Beds
Creators: name: Groß, Kai Michael
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2021
Subjects: subject: Rotating Packed Bed
subject: Rotierende Stoffaustauschmaschine
subject: Deaeration
subject: Entgasung von Flüssigkeiten
subject: Stofftransport
subject: Hydrodynamik
subject: 660
subject: Trennverfahren
subject: Destillation
subject: Stofftransport

description: Rotating packed beds (RPBs) overcome gravitational limitations as found in distillation or absorption columns by means of centrifugal force. The concept enables an intensified mass and heat transfer that leads to lower equipment volumes or increased performance. To impose centrifugal forces on gases or liquids the RPB consist of a motor-driven and packing equipped rotor in a static casing. An additional degree of freedom is offered due to the dependency of mass transfer performance and capacity on the rotational speed. Based on the equipment volume RPBs provide a very efficient mass transfer, enable large capacities and offer a high degree of flexibility. However, despite the high potential of the RPBs, their application in industry is limited. To facilitate the design process, a hydraulic and a mass transfer study was conducted. In the first step, a new prototype was designed and constructed together with an engineering partner to enable new investigation technologies and large-scale experiments. Changing geometries and an increasing centrifugal force along the radius of the rotor require a thorough understanding of the internal processes within the packing of an RPB. In the framework of the hydraulic study, the key characteristics were elucidated. For different packing types and packing geometries pressure drop and operating limits were investigated. For the first time, the liquid hold-up in the rotating packing was measured using the angle-resolved gamma-ray tomography. The information derived from the experimental studies was combined into design guidelines and a pressure drop model. The mass transfer of the RPB for liquid-side limited systems was investigated by the deaeration of water employing nitrogen as stripping gas. Lab-scale and pilot-scale equipment were investigated to generate a deeper understanding of the scaling effects. Co- and counter-current operations were evaluated for different packing-types and distributors. A model including literature correlations was developed and validated. Finally, cost models were included in a graphical user interface to quickly evaluate the costs of existing or potential RPB processes.
description: Rotating packed beds (RPBs) sind in der Lage mittels Zentrifugalkraft die schwerkraftbedingten Grenzen klassischer Rektifikations- oder Absorptionskolonnen zu überwinden. Das Konzept ermöglicht einen intensiven Stoff- und Energieaustausch, welcher zu kompakten Apparatedimensionen oder effizienteren Prozessen führt. Um Gase oder Flüssigkeiten mittels Zentrifugalkraft zu beschleunigen, bestehen RPBs aus einem motorbetriebenem, mit einer Packung bestücktem Rotor in einem statischen Gehäuse. Die Rotationsgeschwindigkeit ermöglicht einen zusätzlichen Freiheitsgrad, da Stofftransport und Kapazität von ihr abhängen. RPBs stellen bezogen auf ihr Apparatevolumen einen hoch effiziente Stofftransportleistung bereit, ermöglichen hohe Kapazitäten und sind sehr flexibel. Obgleich des hohen Potentials dieser Technologie werden RPBs nur relativ selten in der Industrie verwendet. Die in dieser Arbeit durchgeführten hydraulischen Experimente und Strofftransportuntersuchungen sollen den Einsatz der RPBs erleichtern. In einem ersten Schritt wurde ein neuer Prototyp entwickelt und mithilfe eines Technikpartners gefertigt. Dieser Prototyp ermöglicht die Anwendung neuer Untersuchungsverfahren und auch Experimente im Pilotmaßstab. Ein grundlegendes Verständnis der Prozesse innerhalb der RPB-Packung ist notwendig, da sich sowohl geometrische Dimensionen als auch die Zentrifugalkraft entlang des Rotorradius verändern. Im Rahmen des hydraulischen Teils dieser Arbeit wurden daher die wichtigsten Charakteristiken herausgearbeitet. Für verschiedene Packungs-Typen und Packungsabmessungen wurde der Druckverlust und das Betriebsfenster untersucht. Erstmalig kam auch die winkelaufgelöste Gammastrahlen-Tomographie zum Einsatz, um den Flüssigkeitsanteil innerhalb der rotierenden Packung zu bestimmen. Die gewonnenen Informationen wurden für die Erstellung eines Druckverlustmodels und Auslegungsrichtlinien verwendet. Die Stofftransportleistung flüssigseitig limitierter Stoffsysteme wurde anhand der Entgasung von Wasser mithilfe von Stickstoff untersucht. Verschiedene Untersuchungen in RPBs im Labor- und Pilotmaßstab lieferten Ergebnisse zum besseren Verständnis des Skalierens der RPBs. Gleich- und Gegenstromfahrweise wurde zudem für verschiedenen Packungstypen und Flüssigkeitsverteiler untersucht. Ein Modell basierend auf Literaturkorrelationen wurde entwickelt und mithilfe der experimentellen Daten validiert. Schlussendlich wurde eine graphische Benutzeroberfläche geschaffen, welche unter anderem auch Kostenschätzungen für den RPB ermöglicht. Auf ihrer Basis können bestehende oder potenzielle RPB-Prozesse schnell und einfach evaluiert werden.