Kennzahlenbasierte Beschreibung von Tropfenmitriss flashender Feeds und Tropfenabscheidern für Realstoffsysteme

Die Reduktion oder weitgehende Vermeidung von Tropfen bzw. deren Abscheidung sind häufig auftretende Fragestellungen während Auslegung, Betrieb oder Revamps von Trennkolonnen. Der Mitriss von Tropfen durch die Dampfphase wirkt der bereits eingetragenen Trennleistung erheblich entgegen und beeinträchtigt die Energie¬effizienz des Verfahrens, die Produktqualität oder auch den Betrieb nachgeschalteter Apparate. Eine effiziente Tropfenabscheidung trägt daher wesentlich zur Einsparung energetischer und stofflicher Ressourcen bei. Dies erfordert eine möglichst genaue Vorhersage der auftretenden Tropfenspektren in Trennkolonnen und deren Mitriss.
Flashende Feeds sind wesentlich an der Entstehung von Tropfen in Trennkolonnen beteiligt, wobei konsolidierte Kenntnisse über entstehende Tropfengrößen- und -spektren sowie dominierende Einflussfaktoren fehlen. Ein Druckabfall unter den Sättigungsdruck des Feedgemisches führt zunächst zu einem metastabilen Zustand des überhitzten Fluids. In Folge lokaler Verdampfungs-vorgänge stellt sich ein thermodynamischer Gleichgewichtszustand im Zweiphasen¬gebiet ein. Derartige Vorgänge sind in fast allen Rückläufen in thermischen Trennkolonnen, Feeds mit kryogenen Medien oder Kolonnen mit mechanischer Brüdenkompression zur Wärmeintegration vertreten. Abhängig von Massenstrom, Überhitzung, Stoffwerten des Fluides und geometrischen Randbedingungen kommt es aufgrund der schlagartigen Druckabsenkung zu einem explosionsartigen Zerfall des metastabilen Flüssigkeitsstrahls, bei dem sich thermodynamische Instabilitäten, wie Keimbildung, Blasenwachstum und -zerfall, und fluiddynamische Beanspruchung überlagern. Erhebliche Tropfenströme sind die Folge. Dabei ist unklar, welchen Einfluss stoffliche, anlagentechnische und betriebliche Bedingungen auf die entstehende Tropfenanzahl, deren Größenspektrum und Abtrennbarkeit haben. Hier besteht ein erhebliches Interesse seitens der Anlagenbetreiber und -ausrüster, Beschrei¬bungsgrundlagen zur Abscheidung von Tropfen flashender Feeds basierend auf Experimentaldaten für Realstoffsysteme ableiten zu können.
Die Tropfenabscheidung in Trennkolonnen erfolgt über installierte Abscheider, wie z. B. Gestricke, Trägheitsabscheider oder Füllkörper. Die Auslegung und Auswahl der¬ar¬tiger Abscheider erfordert Kenntnis über das Abscheidevermögen bzw. die maximale Abscheidekapazität (Flutpunkte). Verfügbare Experimentaldaten decken jedoch nur einen ungenügenden Bereich von Stoffwerten der industriellen Praxis ab. Weitere Einfluss¬größen auf die Abscheidung, wie Tropfengrößen oder die geometrischen Parameter der Abscheider, werden derzeit nicht in den Auslegungsmodellen berücksichtigt.
Das kürzlich gestartete AiF-IGF Projekt „Kennzahlenbasierte Auslegung von Ge-stricken bei Tropfenmitriss aus flashenden Feeds von Realstoffsystemen – GeTReal“ adressiert die verlässliche kennzahlenbasierte Auslegung von Gestrickabscheidern zur Abtrennung von mitgerissenen Tropfen aus flashenden Feeds in Trennapparaten. Von den Forschungsstellen an der TU Braunschweig und am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf werden experimentelle Untersuchungen für Modell- und Realstoffsysteme zu Tropfenmitriss und Tropfenabscheidung in Gestrickabscheidern durchgeführt. Durch eine Zwangsumlaufentspannungsverdampfung (ZUEV) werden flashende Feeds nachgebildet und der Tropfenmitriss als auch die -abscheidung unter Variation stofflicher, apparativer und betrieblicher Parameter quantitativ und qualitativ erfasst.
In dem Beitrag werden neben der ausführlichen Darstellung der Versuchsanlagen, der Methoden und des experimentellen Untersuchungsrahmens, erste experimentelle Ergebnisse zum Tropfenmitriss vorgestellt. Verschiedene Gestrickabscheider wurden im Rahmen einer geometrischen Charakterisierung untersucht. Dies umfasst die experimentelle Ermittlung von Porositätsdaten und die Bestimmung des trockenen Druckverlusts. Die so gewonnenen Daten bilden die Grundlage eines praxistauglichen Modells zur Vorhersage des Druckverlustes, welches neben viskosen Effekten auch den Einfluss von Turbulenzeffekten auf den Druckverlust berücksichtigt.
Die Arbeiten im Rahmen des Projektes GeTReal werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert (IGF-Vorhaben: 22594 BG)