Kontakt

Dr. Markus Schubert

m.schubertAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 2627

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Uwe Hampel

Leiter
Experimentelle Thermo­fluiddynamik
u.hampel@hzdr.de
Tel.: +49 351 260 2772

Effiziente thermische Trennverfahren

Fluide Trennprozesse wie Rektifikation, Destillation, Absorption, Desorption und Extraktion sind zentrale Grundoperationen in praktisch allen Sparten der Prozessindustrie. Die Dampf-Flüssig-Trennoperationen stellen in der Regel die energieintensivsten Verfahrensschritte dar, da  mehrfache Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge involviert sind. Schätzungsweise 3 % des Weltenergiebedarfs entfallen auf thermische Trennprozesse und 40 % des Energiebedarfs der Prozessindustrie werden für Destillations- und Rektifikationsprozesse eingesetzt. Da der Energiebedarf linear mit der Kapazität einer Anlage skaliert, kann dieser bei Prozessen industriell relevanter Produktionskapazitäten oft 10 bis 100 MW betragen.

Der hohe Energie- und Ressourcenbedarf von thermischen Trennverfahren führt zu innovativen Optimierungsansätzen zur Intensivierung des Kontakts der beteiligten fluiden Phasen. Insbesondere Konzepte zur Erhöhung der Turbulenz in beiden Phasen sowie zur Vergrößerung der Phasengrenzfläche befördern die Stoff- und Wärmeübertragungsprozesse.

Der Komponententrennung nachgelagert ist die Dampf- und Flüssigphasentrennung, deren Effektivität entscheidend zur Reduktion unsicherheitsbedingter Zusatzausrüstungen ist. Aus trenntechnischen Gründen ist ein Verschleppen, wie beispielsweise der Mitriss von Tropfen in der Dampfphase, zu vermeiden, um die zuvor investierte Trennleistung nicht zu beeinträchtigen.

Entscheidend für ein besseres Gesamtprozessverständnis sowie zur Ableitung verlässlicher Auslegungsregeln sind detaillierte experimentelle und theoretische Untersuchungen elementarer Transportphänomene trennwirksamer Einbauten, wie beispielsweise Kolonnenböden.

Die gegenwärtigen Forschungsaktivitäten umfassen insbesondere:

Foto: Experimental and theoretical investigations of fluid dynamics and mass transfer in sandwich packings - logo ©Copyright: Torsten Berger

Fluiddynamik und Stofftrenn­verhalten von Anstaupackungen

Im Rahmen des durch die DFG geförderten Projekts erfolgt am HZDR die umfängliche Charakterisie­rung der Strömungs­vorgänge in Anstaupackungen (Ø = 100 mm), die zunächst mit Modell-Stoffsystemen betriebenen werden. Die ultraschnelle Röntgen­tomo­graphie als nichtinvasives Mess­verfahren liefert Einblicke in die komplexen und hochdynamischen Strömungs­formen im Inneren der Packungen.
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Foto: Droplet formation and reduction in thermal separation devices - logo ©Copyright: Torsten Berger

Tropfenentstehung und -reduzie­rung in Stoffaustauschap­paraten

Die Tropfenbildung an spezifischen Stellen in Trennkolonnen und deren Mitriss in der Dampfphase kann die Trennleis­tung drastisch ­verschlechtern. Schwerpunkt der Untersuchungen am HZDR im Rahmen des Verbundprojekts TERESA ist die Charakterisie­rung der Strömungs­regime und entstehen­der Tropfenspektren in Feedlei­tungen mit Flash­verdampfung.
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Foto: Effect of fluid dynamics on separation efficiency of column trays - logo ©Copyright: Dr. Markus Schubert

Fluiddynamik und Trenneffizienz von Kolonnenböden

Mithilfe neuer Bildge­bungs­technik werden sich ausbildende Strömungs­struk­turen und der Grad der Flüssigphasen­vermi­schung in Bodenkolonnenn mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflö­sung untersucht. Dazu wurde eine Siebbodenkolonne mit Gittersensorik instrumen­tier­t und die hydraulischen Daten zur Entwick­lung neuer Modellansätze für die Bewer­tung der Trenneffizienz herangezogen.
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Foto: Feldsensor ©Copyright: Vineet Vishwakarma

Werkzeuge und Methoden zur Ausle­gung von Hochleis­tungs­böden

Im Rahmen des iGF-Vorhabens werden gemeinsam mit der TU München und der Ruhr-Uni­versität Bochum umfangreiche experimentelle Arbeiten zur Charakterisie­rung sowie theoretische Arbeiten zur Modellie­rung der Zweiphasenströmung auf Hochleis­tungs­böden durchgeführt. Das HZDR entwickelt hierfür fortschrittliche Sensorik sowie neue Ansätze zur Strömungs­simulation.
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