Tropfenentstehung und -reduzierung in Stoffaustauschapparaten

Teilprojekt: Experimentelle Untersuchungen von Zweiphasen­strömungen mit Phasenübergang in Feedleitungen

Viele Trennprozesse werden mit Dampf- und Flüssigphase im Gegenstrom betrieben. Die Trennung eines Stoffgemisches durch das thermodynamische Ungleichgewicht zwischen Dampf- und Flüssigphase ist besonders bei hoher Turbulenz und großer Phasengrenzfläche effektiv. Starke Phaseninteraktionen führen jedoch gleichzeitig zur Entstehung von Tropfen an Schnittstellen bzw. an Übergabepunkten in Trennkolonnen (Zulauf- und Abzugsstellen an Feedpunkt, Sumpf und Kopf von Kolonnen sowie Verdampfern), die nur mit erheblichem Aufwand durch unsicherheitsbedingte Zusatzausrüstungen abgetrennt werden können.

Tropfenmitriss in der Dampfphase von Trennapparaten kann die Trennleistung drastisch verschlechtern und beeinträchtigt damit die Energieeffizienz einer Trennaufgabe. Außerdem können Komponenten in nachgeschaltete Prozessbereiche verschleppt werden, korrosive Schäden, Prozessinstabilitäten sowie erhöhte Emissionen hervorrufen und damit Betriebsstillstände zur Folge haben.

Im Verbundprojekt TERESA sollen daher verbesserte Auslegungsmethoden für Einrichtungen zur Phasentrennung und Tropfenabscheidung in Dampf-Flüssig-Trennprozessen bereitgestellt und neue Konzepte für Abscheider entwickelt werden.

Schwerpunkt der Untersuchungen am HZDR ist die Strömungscharakterisierung in Feedleitungen (DN200, ca. 4 m Länge) mit Flashverdampfung bei kritischen Stoffwerten. Dazu werden experimentelle Studien in einem kältemittelbetriebenen Kolonnenversuchsstand (DN500, ca. 5 m Höhe) durchgeführt. Mit dem Kältemittel können industrierelevante Oberflächenspannungen eingestellt werden, die maßgeblich das Spektrum der entstehenden Tropfen beeinflussen. Neben der umfassenden Charakterisierung der Strömung in der Feedleitung unter transienten Bedingungen mittels Gittersensormesstechnik werden verschiedene Abscheide- und Trenneinbauten der Projektpartner hinsichtlich ihrer Trenngüte bewertet.

Kooperation

• TU Braunschweig,
• Ruhr-Universität Bochum,
• TU Kaiserslautern,
• DencoHappel GmbH,
• ENVIMAC Engineering GmbH,
• Falk & Thomas Engineering GmbH,
• horst weyer und partner GmbH,
• HZDR Innovation GmbH,
• Linde AG,
• Munters Euroform GmbH,
• Raschig GmbH,
• RVT Process Equipment GmbH

Förderung

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi, 03ET1395)

Referenzen

• Döß, A.; Höhne, T.; Schubert, M.; Hampel, U.
  Comparison of different CFD approaches for the simulation of developing free surface two-phase flow in straight and bent pipes.
  Chemical Product and Process Modeling 19, 2, 193-209 (2024)
• Döß, A.; Schubert, M.; Wiedemann, P.; Junge, P.; Hampel, U.; Schleicher, E.; Mehringer, C.; Geipel, C.
  Flow Morphologies in Straight and Bent Horizontal Pipes.
  ACS Engineering Au 2021, 1, 1, 39–49 (2021)
• Döß, A.; Schubert, M.; Wiezorek, M.; Hampel, U.; Flegiel, F.; Windmeier, C.; Schleicher, E.; Schunk, C.
  Morphology of Flashing Feeds at Critical Fluid Properties in Larger Pipes.
  Chemie Ingenieur Technik 93, 7,1126-1133 (2021)
• Döß, A.; Schubert, M.; Hampel, U.; Mehringer, C.; Geipel, C.; Schleicher, E.
  Two‐Phase Flow Morphology and Phase Fractions in Larger Feed Line Sections.
  Chemie Ingenieur Technik 93, 7,1134-1141 (2021)
• Flegiel, F.; Windmeier, C.; Wiezorek, M.; Döß, A.; Schubert, M.; Hampel, U.; Schleicher, E.
  Capacity and Sizing of Wire Mesh Mist Eliminators at Critical Fluid Properties.
  Chemie Ingenieur Technik 93, 7,1166-1177 (2021)
• Windmeier, C.; Flegiel, F.; Döß, A.; Franz, R.; Schleicher, E.; Wiezorek, M.; Schubert, M.; Hampel, U.
  A New Research Infrastructure for Investigating Flow Hydraulics and Process Equipment at Critical Fluid Properties.
  Chemie Ingenieur Technik 93, 7,1119-1125 (2021)