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Dr. Markus Schubert

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Fluiddynamik und Trenneffizienz von Kolonnenböden

Die Destillation ist ein entscheidender Prozessschritt in der chemischen Industrie. Ungefähr die Hälfte aller Destillationskolonnen wird aufgrund deren Einsatzflexibilität mit Querstromböden ausgestattet. Aufgrund der hohen Investitions- und Betriebskosten von Kolonnen, ist eine möglichst genaue Abschätzung der Trenneffizienz eine Voraussetzung für die gezielte Verbesserung der Trennleistung (z. B. durch Designoptimierung oder Revamps) sowie für die Reduktion zusätzlicher Böden, die Ungenauigkeiten bei der Auslegung Rechnung tragen.

Bei Kolonnenböden sind der Grad der Flüssigphasenvermischung und die sich ausbildenden Strömungsstrukturen entscheidend für die Trennwirkung. Insbesondere die Ausprägung von Strömungskanälen, Bypässen und Rückströmungen sowie Zirkulationsgebieten und Totzonen verschlechtern die Trennwirkung entsprechend.

Durch die jüngsten Fortschritte bei der Mess- und Bildgebungstechnik lassen sich Strömungsstrukturen und das Mischverhalten in Bodenkolonnen nun mit hoher örtlicher und zeitlicher Präzision untersuchen und charakterisieren. Dafür wurde am HZDR eine Kolonne mit zwei Siebböden und Gittersensorik (52 × 64) instrumentiert.

Kolonnenbodenversuchsstand mit Gittersensor und Strömungsvisualisierung
Abbildung 1: Kolonnenbodenversuchsstand mit Gittersensor (links) und Strömungsvisualisierung (rechts).

Gleichzeitig werden Modellierungskonzepte entwickelt, um die Trenneffizienz von Kolonnenböden zu quantifizieren. Diese Ansätze werden insbesondere verwendet, um das Trennverhalten unter Einfluss von Fehlverteilungen zu bewerten.

Einteilung von Modellansätzen zur Berechnung der Bodentrenneffizienz
Abbildung 2: Einteilung von Modellansätzen zur Berechnung der Bodentrenneffizienz.

Förderung

Deutscher Akademischer Austauschdienst e. V. (DAAD, 91563198)

Referenzen

  • V. Vishwakarma, M. Schubert, U. Hampel
    Assessment of separation efficiency modeling approaches pertaining to flow and mixing patterns on distillation trays
    Chemical Engineering Science, submitted (2017)
  • M. Schubert, M. Piechotta, M. Beyer, E. Schleicher, U. Hampel, J. Paschold
    An imaging technique for characterization of fluid flow pattern on industrial-scale column sieve trays
    Chemical Engineering Research and Design 111, 138-146 (2016)
  • V. Vishwakarma, M. Schubert, U. Hampel
    Effect of flow non-idealities on tray efficiency
    Jahrestreffen der ProcessNet Fachgruppe Fluidverfahrenstechnik, 8-10. März 2017, Köln (2017)
  • V. Vishwakarma, M. Schubert, U. Hampel
    Distillation tray efficiency modeling: a forgotten chapter
    Jahrestreffen der ProcessNet Fachgruppe Fluidverfahrenstechnik, 16-17. März 2016, Garmisch-Partenkirchen (2016)