TERESA

Thermische Stofftrennprozesse tragen wesentlich zum Energie- und Ressourcenverbrauch in der Prozessindustrie bei. Dies betrifft beispielsweise Rektifikationskolonnen, bei denen die Stofftrennung thermisch im Gegenstrom erfolgt. Hierbei werden vor allem Stoffgemische getrennt, die sich aufgrund ihrer Stoffeigenschaften fluiddynamisch stark von umfangreich untersuchten Wasser/Luft-Systemen unterscheiden. Fehlende Auslegungsdaten für organische Stoffsysteme sind für die Auslegung von Trennprozessen und den Betrieb von Trennkolonnen herausfordernd und resultieren oft in großen Sicherheitszuschlägen und überdimensionierten Apparaten und Anlagen. Forschungsbedarf gibt es u. a. bei der

• Abscheidung von Tropfen zur Vermeidung problematischer Betriebszustände, Produktverunreinigungen und Schäden an nachgeschalteten Prozesseinheiten.
• Flashverdampfung in der Feedleitung zur Realisierung optimaler thermofluiddynamischer Einleitbedingungen in die Kolonne,
• Kontaktierung von Dampf- und Flüssigphase mittels trennwirksamer Einbauten wie Strukturpackungen und regellose Schüttungen.

In der TERESA-Versuchsanlage wird ein Kältemittelkreisprozess (3M™Novec649™) betrieben. Das unter Druck stehende, erhitzte Kältemittel wird über eine Armatur Flash-verdampft (Zwangsumlauf-Entspannungsverdampfung, ZUEV). Die so erzeugte Zweiphasenströmung tritt über eine Feedleitung (4 m Länge, 200 mm Durchmesser) in eine Kolonne (Test-Separator, 300 mm und 500 mm Durchmesser bei 2,25 m und 1,15 m Höhe) ein. Der am Kopf des Test-Separators abgezogene Dampf wird in einem Kondensator verflüssigt, danach mit der Flüssigphase aus dem Sumpf des Testabscheiders vereinigt und anschließend unterkühlt. Mittels elektrischem Heizer (240 kW) und Umwälzpumpe (Durchsätze bis 9500 kg/h) wird das Kältemittel wieder für die Flashverdampfung konditioniert und im Kreislauf zirkuliert.

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Die Zweiphasenströmung kann dabei durch Variation von Massenstrom und Dampfanteil bei variablen Betriebsbedingungen vor (bis 25 bar und 180°C) und nach (bis 11,5 bar und 143°C) der Entspannungsarmatur variabel eingestellt werden. Dadurch werden die Stoffeigenschaften des Kältemittels 3M™Novec649™ (IUPAC: 1,1,1,2,2,4,5,5,5-Nonafluor-4-(trifluormethyl)pentan-3-on, CAS-Nummer: 756-13-8) in Bereichen einstellbar, die für thermische Trennverfahren besonders relevant und bisher kaum untersucht sind. Dazu zählen niedrige Oberflächenspannungen (< 10 mN/m), niedrige Viskositäten und variable Dampf-Flüssig-Dichtedifferenzen.

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Die automatisierte TERESA-Anlage ist umfassend instrumentiert und zur Untersuchung fluiddynamischer Prozesse mit Spezialmesstechnik (bildgebende Gittersensoren, Prozessmikroskop) ausgestattet.

Danksagung

Die Versuchsanlage wurde im Rahmen des BMWi-Verbundprojektes „TERESA“ entworfen und 2019 in Betrieb genommen. Die Verantwortung für den Inhalt liegt beim Autor.