Theoretische und experimentelle Untersuchung der Rektifikation viskoser Systeme in Packungskolonnen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Rektifikation ist das meistgenutzte Trennverfahren in der chemischen Industrie und dementsprechend gut erforscht. Allerdings lag der Fokus der Forschung bislang hauptsächlich auf Gemischen mit einer niedrigen Viskosität. Der Kenntnisstand über den Einfluss einer hohen Viskosität auf die Stoffrennung ist, trotz einer hohen industriellen Relevanz (z. B. bei der Herstellung von Kunststoffen), gering. Im Rahmen dieses Kooperationsprojektes zwischen der TU Braunschweig und der Universität Paderborn erfolgte eine systematische Untersuchung der Rektifikation viskoser Gemische in Packungskolonnen. Dazu wurden sowohl experimentelle Methoden als auch modellbasierte Methoden miteinander gekoppelt. Die experimentellen Methoden umfassten dabei zum einen Trennleistungsmessungen, wobei einem binären Lösemittelgemisch ein viskositätserhöhendes Polymer hinzugefügt wurde. Zum anderen wurden viskositätsbedingte Änderungen der Strömungsmorphologie innerhalb der Packung durch computertomographische Messungen in Zusammenarbeit mit der Universität Liége aufgeklärt. Die modellgestützte Beschreibung der erzielbaren Trennleistung erfolgte auf Grundlage hydrodynamischer Analogien, wobei relevante Strömungsphänomene anhand der CT-Messungen identifiziert und entsprechend implementiert wurden. Außerdem erfolgte eine umfassende Charakterisierung der eingesetzten Stoffsysteme hinsichtlich ihrer Gemischeigenschaften, auf deren Grundlage die Einbindung in die Modellierung umgesetzt wurde. Im Zuge der Simulationen wurden Viskositäten bis zu 50 mPa·s betrachtet, was etwa dem Hundertfachen üblicherweise vermessener Stoffsysteme entspricht und in deutlichen Trennleistungsverringerungen resultierte. Die Simulationsstudien ergaben, dass diese Verschlechterung hauptsächlich auf eine Veränderung der Strömung zurückzuführen ist und der Einfluss der Viskosität auf die Diffusion in der Flüssigkeit eine untergeordnete Rolle spielt. Für die experimentellen Trennleistungsmessungen wurde auf Grund des nicht-verdampfenden Polymers ein neuartiger Versuchsansatz nötig, welcher im Zuge des Projektes entwickelt und apparativ umgesetzt wurde. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme und Erprobung mit polymerfreien Gemischen wurden Trennleistungsmessungen bei einer Gemischviskosität von bis zu 5 mPas unter Rektifikationsbedingungen durchgeführt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018): Charakterisierung geeigneter Stoffgemische für Trennleistungsmessungen bei erhöhten Viskositäten. ProcessNet-Jahrestagung, Aachen
Gutperl, S., Scholl, S.
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(2019), Liquid flow morphology of viscous systems in structured packings: investigations by X-ray tomography. 14th International Conference on Chemical and Process Engineering, Bologna, Italien
Bolenz, L., Toye, D., Kenig, E. Y.
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(2019),Tomographische Untersuchung der Fluiddynamik viskoser Systeme in Packungskolonnen. Chemie Ingenieur Technik 91, 1892-1896
Bolenz, L., Fischer, F., Toye, D., Kenig, E.Y.
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(2019): Trennleistungsmessungen mit Stoffgemischen erhöhter Viskosität und nicht-verdampfenden Komponenten. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Fluidverfahrenstechnik, Potsdam
Gutperl, S., Dierking, G., Bradtmöller, C., Scholl, S.
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(2020), Beschreibung der Rektifikation viskoser Systeme mit Hydrodynamischen Analogien. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik, Adsorption und Extraktion, Berchtesgaden
Bolenz, L., Gutperl, S., Toye, D., Scholl, S., Kenig, E. Y. (
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(2020): Simulation und Bewertung eines Anlagenkonzeptes für Trennleistungsmessungen mit nicht-verdampfenden Komponenten. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Fluidverfahrenstechnik, Berchtesgaden
Gutperl, S., Bolenz, L., Kriese, F., Jasch, K., Kenig, E.Y., Scholl, S.
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(2021), Determination of local fluid dynamic parameters in structured packings through X-ray tomography: overcoming image resolution restrictions. Chemical Engineering Science 229, 115997
Bolenz, L., Fischer, F., Toye, D., Kenig, E. Y.
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(2021), Modelling of a continuous distillation process with finite reflux ratio using the hydrodynamic analogy approach. Chemical Engineering Research and Design 172, 99-108
Bolenz, L., Ehlert, T., Dechert, C., Bertling, R., Kenig, E. Y.
