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Dr. Markus Schubert
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Prof. Dr. Uwe Hampel
Head
u.hampel@hzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2772
Fax: 12772, 2383

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

Experimental and theoretical investigations of fluid dynamics and mass transfer in sandwich packings

Within the scope of the DFG-funded project, the fluid dynamic behavior of sandwich packings is comprehensively studied at HZDR. For this purpose, experimental studies are carried out in a 100 mm diame­ter column operated with water and air in the counter-current mode. The ultrafast X-ray tomography permits noninvasive imaging of the complex and highly dynamic flow patterns inside the packing.
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Foto: Droplet formation and reduction in thermal separation devices - logo ©Copyright: Torsten Berger

Droplet formation and reduction in thermal se­paration devices

Droplet formation at specific positions in se­paration columns and the entrained by the vapor phase drastically reduce the se­paration capacity of columns. Core of the investigations at HZDR within the joint project ‘TERESA’ is the characterization of flow regimes and evolving droplet spectra in feed pipes with flash evaporation.
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Foto: Effect of fluid dynamics on separation efficiency of column trays - logo ©Copyright: Dr. Markus Schubert

Effect of fluid dynamics on se­paration efficiency of column trays

Flow and mixing patterns are studied at high spatial and temporal resolution via advanced measurement and imaging techniques in tray columns. A column fitted with sieve trays and a wire-mesh sensor is installed and hydraulic data are utilized to develop new modeling methodo­logies to quantify the tray se­paration efficiency.
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