title: Heat transfer modeling of a thin film evaporator in ionic liquid purification
Creators: name: Zrunek, Max
Publisher: name: TU Wien
Year: 2017
Subjects: subject: Dünnschichtverdampfer
subject: Ionische Flüssigkeiten
subject: Wärmetransport
subject: Thin film evaporator
subject: Ionic liquids
subject: Heat transfer

description: In dieser Arbeit wurde der Wärmeübergang eines Dünnschichtverdampfers im Zuge eines Wiederaufbereitungschrittes ionischer Flüssigkeit innerhalb eines Zellulosefaserprozesses modelliert. Eine Literaturrecherche über Dünnschicht- und Freifallverdampfer wurde durchgeführt, um den aktuellen Stand der Technik zusammenzufassen. Als eine kurze Einleitung in die Modellierung dieser Verfahren wurde ein kurzer Überlick über die numerische Strömungssimulation, CFD, gegeben. Weiters wurden einige repräsentative Anwendungsfälle aufgelistet. Im Zuge der Arbeit wurden experimentelle Versuchreihen an einem Labor Dünnfilmverdampfer durchgeführt. In einem ersten Schritt wurde ein Parameter-Screening und eine Korelationsanalyse durchgeführt. In einem zweiten Schritt wurde ein angepasstes Set an Parametern herangezogen, um eine Versuchsreihe als Grundlage zur Modellvalidierung zu erhalten. Der Modelierungsteil besteht aus drei verschiedenen Modellen. Das erste Modell wurde in Openfoam mit einem Zweiphasensolver erstellt. Die Ergebnisse gaben Auskunft über die Gültigkeit angenommener Randbedingungen vorangegangener Arbeiten. Zwei weitere Modelle wurden in COMSOL programmiert. Als limitierender Faktor für die auftretende Verdampfung wurde die konstant angenommene spezifische Verdampfungsenthalpie bestimmt. Mithilfe Energiebilanzen wurden Wärmeübergangskoeffizienten sowohl über die Modelle geschätzt als auch experimentell bestimmt. Der so ermittelte Wärmeübergangskoeffizient wurde für das dritte Modell festgelegt. Im dritten Modell wurde der gesamte Verdampfer als eine Kolonne idealer Trennstufen abgebildet. Für jede dieser Trennstufen wurde in einer definierten Modellgeometrie der resultierende Wärmestrom und verdampfende Massenstrom berechnet. Die Modellergebnisse wurden experimentellen Resultaten gegenübergestellt. In drei von vier Fällen stimmten die experimentellen Ergebnisse mit den Modellprognosen nicht überein. Mögliche Ursachen der Abweichung wurden diskutiert und zusammengefasst.
description: In this work the heat transfer of a thin-film evaporator in ionic liquid purification, as a recycling step in a cellulose fiber production process, was modeled. A literature survey over the field of falling film and agitated thin film evaporation was undertaken to summarize the existing knowledge on the process. To provide a basic understanding of the model dynamics, a short introduction over the area of computational fluid dynamics was given also. A brief enumeration of exemplary research CFD applications of evaporation processes rounded off the theoretical part. Experiments with the thin-film evaporation were conducted to evaluate the process parameters and to create an empirical basis for the model evaluation. In a first stage, a correlation analysis of the different process variables was completed with the results of the thin-film evaporation of water. Then, in the second stage the process parameters were adjusted for a conclusive set of experiments for ionic-liquid purification that represented the actual experimental basis for the model evaluation. The modeling part consists of three different models. In the first one, a two-phase CFD Openfoam model was used to set up a case for falling-film flow. Although it was not possible to build up a fully working model, it provided some information on the validity of previous assumptions of thin film evaporation. Two other models were designed in Comsol to predict the heat transfer of the process in terms of required vaporization energy for evaporation. Both were liquid single-phase models.Instead of a continuous flow a series of ideal stages was assumed. Each single stage was simulated in the model and the results were interpolated to attain a result over the whole evaporator column. The models were opposed to the experimental values. In three out of four cases the model did not match with the empirical result. The possible reasons for the divergence were discussed and summarized.