title: Tomographische Untersuchung von Dreiphasenströmungen in Packungskolonnen
Creators: name: Linder, Thomas
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Tomographie
subject: Dreiphasenströmungen
subject: Packungskolonnen
subject: Destillation
subject: Computertomographie
subject: Packungen
subject: Kolonnen
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::62 Ingenieurwissenschaften

description: Die Fluiddynamik von zwei wenig mischbaren Flüssigkeiten und einer Gasphase in Packungskolonnen, wie sie bei der Dreiphasenrektifikation vorliegt, ist komplex und bisher wenig untersucht und verstanden. Zudem hat das Auftreten einer zweiten Flüssigphase in Packungskolonnen häufig einen negativen Einfluss auf die Kapazität und Trennleistung. Aus diesen Gründen werden in dieser Arbeit erstmalig örtlich und zeitlich hochaufgelöste tomographische Aufnahmen genutzt, um das Verständnis von Dreiphasenströmungen in Packungskolonnen zu erhöhen. Darüber hinaus werden verschiedene für die Auslegung und den Betrieb relevante fluiddynamische Parameter bestimmt. Hierzu wurde mit Wasser/1,2 Dichlorbenzol(DCB)/Stickstoff ein geeignetes Stoffsystem gefunden, auf diesem basierend ein Versuchsaufbau entwickelt und Messungen mit unterschiedlichen Packungen über einen großen Betriebsbereich durchgeführt. Für die quantitative Auswertung wurde eine Routine entwickelt und validiert, die es ermöglicht in der gesamten Kolonne jedem Pixel eindeutig eine Phase zuzuordnen. Darauf aufbauend können die Strömungsmorphologie analysiert und verfahrenstechnisch relevante Parameter wie Filmdicken und Holdups quantifiziert werden, welche bisher nur auf Einzelblechen oder integral über die Gesamtkolonne bestimmt wurden. Außerdem wird es durch neu entwickelte Methoden, wie der Tracermessung möglich, fluiddynamische Parameter mit verbesserter Aussagekraft für den Stofftransport, wie die aktiv durchflossene effektive Phasengrenzfläche, einzuführen. Die Ergebnisse zeigen eine starke Reduzierung dieser Größe des Wassers, weil diese beispielsweise von DCB-Filmen überströmt wird, und belegen somit anschaulich die Ursache für eine Verschlechterung der Trennleistung, falls die prozessrelevante Gemischkomponente primär in der wässrigen Phase gelöst ist. Durch die lokale Auflösung der Computertomographie und die hohe zeitliche Auflösung der Radiographie können darüber hinaus weitere für die Trennleistung und Kapazität relevante Kerngrößen wie die Verweilzeit, Tropfenbildung und die Flüssigkeitsverteilung über die gesamte Kolonne bestimmt werden. Hierdurch kann beispielsweise der reduzierte Betriebsbereich bei der Dreiphasenrektifikation gegenüber Zweiphasensystemen aufgrund der gegenseitigen Überlagerung der Flüssigphasen in Kombination mit dem Anstauen an den Packungsunterkanten bei strukturierten Packungen erklärt werden. Diese tomographischen Untersuchungen ermöglichen somit einen direkten Einblick in Packungskolonnen mit einer Dreiphasenströmung unter Prozessbedingungen. Durch die zeitlich und räumlich hochaufgelöste Bestimmung zahlreicher bereits etablierter Größen, welche aber bisher messtechnisch nicht zugänglich waren, kann das fluiddynamische Verständnis deutlich erhöht werden. Dies mündet darüber hinaus in einer deutlichen Vergrößerung der Datenbasis, die für die Modellierung und Simulation unerlässlich ist. Die Entwicklung neuer fluiddynamische Parameter mit verbesserter Aussagekraft für den Stofftransport, ermöglicht außerdem die Beantwortung weiterführender Fragen.
description: The fluid dynamics of two poorly miscible liquids and a gas phase in packed columns, as it occurs in three phase distillation, is very complex, poorly understood and rarely described in literature. Moreover, the occurrence of a second liquid phase frequently has a negative influence on capacity of the column and mass transfer. For these reasons, X ray computed tomography images with high spatial and temporal resolution are used in this work for the first time to increase the understanding of three-phase flows in packed columns. Furthermore, various fluid dynamic parameters, which are of great importance for design and operation, are determined. For this purpose, a suitable three phase system was found in water/1,2 Dichloro-benzene(DCB)/nitrogen. Based on this an experimental set-up was developed and built, which allows measurements with different packings and covers a wide operating range. For quantitative evaluation a routine was developed and validated, which enables the assignment of each pixel to one phase in the entire column. Based on this, the flow morphology can be analysed and process-relevant parameters such as film thicknesses and hold-ups be quantified, which were previously only determined on single sheets or integrally over the entire column. In addition, newly developed methods, such as tracer measurement, can introduce fluid dynamic parameters with enhanced informative value for mass transfer, such as the actively flowed effective interfacial area. The results show a strong reduction of this value of water, because it is, for example, overflowed by DCB films. This demonstrates why separation performance reduction occurs when the process-relevant mixture component is primarily dissolved in the aqueous phase. The local resolution of computed tomography and the high temporal resolution of radiography can also be used to determine other core variables relevant for separation performance and capacity, such as residence time, droplet formation and liquid distribution over the entire column. This can be used, for example, to explain the reduced operating range in three-phase distillation compared to two-phase systems due to the mutual overlapping of the liquid phases in combination with the increased hold-up at the packing bottom edges in structured packings. These X-ray computed tomographic investigations provide a direct insight into packed columns with a three-phase system under process conditions. Through the temporally and spatially highly resolved determination of numerous already established quantities, which were not previously accessible by measurement, the understanding of fluid dynamics can be significantly increased. This also leads to a significant extension of the database, which is indispensable for modelling and simulation. Furthermore, the development of new fluid dynamic parameters with enhanced informative value for mass transfer allows answering further questions.