Kolonnen für Reaktivextraktion - Populationsbilanzen und Maßstabsvergrößerung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bart
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257964779

Partikel-Populationsbilanzen bilden heutzutage die Grundpfeiler für die Modellierung verschiedenster technischer Anwendungen (z. B. Kristallisation, Granulation, Emulsionspolymerisation, Wirbelschicht, etc.). Das Phänomen der Flüssigkeitsströme mit hohen Partikeldichten ist notorisch komplex, schwierig zu messen und vorherzusagen und wird numerisch aufwändig, wenn chemische Reaktionen beteiligt sind.Die Reaktivextraktion ist im Vergleich zur physikalischen Extraktion weltweit die dominierende Anwendung (siehe ISEC Konferenzen, http://www.solventextract.org/index.html). In diesem Umfeld dominieren bisher Mixer-Settler-Apparate, wobei die wirtschaftlich attraktivere Variante, d.h. die Verwendung von Kolonnen durch deren komplexere Auslegung bedingt, seltener zum Zuge kommt. In einer frühen Designphase ist es wichtig, zuverlässige Modelle und Simulationswerkzeuge zu haben, die das Tropfenschwarmverhalten in Kolonnen über Populationsbilanzen berücksichtigen. In diesem Zusammenhang wollen wir die im Projekt zu entwickelnde Maßstabsvergrößerungs- und Simulations-Methodik auf einer hohen generischen Ebene validieren. Im Arbeitsprogramm soll daher gezeigt werden, dass eine Maßstabsvergrößerung ausgehend vom Labor- und Miniplantmaßstab hin zum Industriemaßstab für jeden Kolonnentyp mit Hilfe numerischer Simulationen möglich ist und auf reaktive Systeme (z. B. dem chemisch reaktiven EFCE Testsystem ZnSO4/D2EHPA/n-Heptan) anwendbar ist. Aus früheren Arbeiten sind alle Geräte vorhanden. Es werden zwei gegensätzliche Kolonnentypen untersucht, eine gerührte Kolonne vom Typ Kühni sowie eine gepulste Siebbodenkolonne, die sich in ihrer internen Strömungsstruktur komplett unterscheiden. Zur Datenaufnahme kann man auf ein hoch automatisiertes Datenerfassungssystem zugreifen, das bereits bei den Vorarbeiten im Einsatz war, welches eine zielgerechte Bearbeitung des eng gefassten Arbeitsprogramms ermöglicht.Die Hydrodynamik in Kolonnen kleiner als DN200 wird durch vorhandene Literaturkorrelationen gut beschrieben. Bei größeren Kolonnendurchmessern ändern sich bei der Maßstabsvergrößerung die Geometrieverhältnisse, wodurch der Gültigkeitsbereich der Korrelationen überschritten wird. Diese Lücke soll mit Hilfe von CFD-Methoden gefüllt werden, wobei diese ortsaufgelöste Informationen als Grundlage für ein tiefgreifendes Verständnis (Rückvermischungskoeffizienten, etc.) liefert und lokale Phänomene (Totzonen, Reichweite der Rührerwirkung) auch für beliebige Geometrieverhältnisse untersucht werden können.Die Projektergebnisse sind von großer Bedeutung für geometrieunabhängiges Design und Maßstabsvergrößerung von industriellen Reaktivextraktionskolonnen. Aufbauend auf experimentelle Arbeiten in standardisierten Apparaten erlaubt die numerische Simulation eine wesentliche Zeit- und Kostenreduktion des experimentellen Aufwands und ermöglicht vertiefte Erkenntnisse über die lokalen Vorkommnisse, die ansonsten nur mit hohem Aufwand experimentell zugänglich wären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen