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Hydrodynamische Analogien

Simulationen zur Auslegung und Optimierung von Trennverfahren wie Rektifikation und Absorption werden vorwiegend unter Anwendung von Gleichgewichts- und Rate-based-Modellen durchgeführt. Die hydrodynamische Komplexität der zuvor genannten Prozesse erlaubt es derzeit nicht, die Strömungsverhältnisse und Transportphänomene in den Trennapparaten auf rein theoretischer Basis (bzw. ausschließlich mit CFD-Methoden) zu beschreiben. Vielmehr vereinfachen die oben genannten Modelle die tatsächlichen Strömungsverhältnisse stark oder vernachlässigen sie ganz. Dadurch muss eine Vielzahl von experimentellen Parametern ermittelt werden.

Daher haben wir einen prinzipiell neuen Ansatz zur Modellierung von nicht-reaktiven und reaktiven Trennverfahren in strukturierten geometrischen Anordnungen (z.B. strukturierten Packungen) entwickelt. Dieser basiert auf so genannten hydrodynamischen Analogien (HA) zwischen komplexen Strömungsbildern in realen Kolonnen und vereinfachten fluiddynamischen Elementen. Diese Elemente werden durch das Modell realitätsnah wiedergegeben und miteinander kombiniert, so dass ein vereinfachtes aber physikalisch sinnvolles Strömungsbild des Gesamtapparates dargestellt wird. Vereinfachte Elemente können mit rigorosen partiellen Differentialgleichungen für die Beschreibung der Transportprozesse erfasst werden, wodurch die Modellierung der gesamten Apparate ermöglicht wird [1-3].

Das bestehende HA-Modell wurde erfolgreich für die Simulation verschiedener Rektifikations- und Absorptions- / Desorptionssysteme eingesetzt. Das Modell erlaubt, im direkten Vergleich mit traditionellen Modellierungsansätzen, eine genauere Prozessbeschreibung. Es ist in der Lage, HETP-Werte für gegebene Systeme zu ermitteln und auch den Einfluss von Parametern der Packungsgeometrie direkt zu berücksichtigen [1].
Zu den betrachteten Prozessen zählt auch das reaktive Strippen. Ein monolithischer Filmströmungsreaktor wurde für eine heterogen katalysierte Veresterung eingesetzt. In diesem Prozess wird das Nebenprodukt Wasser, welches inhibierend und gleichgewichtslimitierend wirkt, aus der flüssigen Phase gestrippt. Die Filmströmung wird hierbei wesentlich durch die poröse Katalysatorschicht beeinflusst [3, 4].

Weiterhin wurde die Reaktivrektifikation mit katalytischen Packungen betrachtet. Diese sind schichtweise aus verschiedenen Grundelementen aufgebaut. Drahtgewebetaschen, gefüllt mit Katalysator, ermöglichen die heterogene Reaktion in der flüssigen Phase, während gezahnte Blechlagen (corrugated sheets) verantwortlich für die Trennleistung sind. Hierbei entstehen neue Strömungsmuster, die miteinander interagieren und für die neue Analogien entwickelt werden müssen [5].

Darüber hinaus werden die hydrodynamischen Analogien auch zur Beschreibung von nicht-reaktiven und reaktiven Absorptionsprozessen verwendet [6].

Grundlage für die Entwicklung von hydrodynamischen Analogien ist in jedem Fall eine intensive Beobachtung und Bewertung der Strömungsmuster, welche sich in Abhängigkeit von den Stoffeigenschaften sowie von Gas- und Flüssigkeitsbelastung in den Trennapparaten ausbilden. Diese Beobachtungen können sowohl visuell beim Betrieb von Glasapparaturen, als auch mit Hilfe tomografischer Apparaturen erfolgen, um die Vorgänge im Inneren der Einbauten und Katalysatortaschen einbeziehen zu können [7].

 

[1] Shilkin, A. and Kenig, E.Y.
A new approach to fluid separation modelling in the columns equipped with structured packings.
Chemical Engineering Journal 110: 87-100, 2005.
[2] Shilkin, A., Kenig, E.Y. and Olujic, Z.
A hydrodynamic-analogy-based model for efficiency of structured packing columns.
AIChE Journal 52: 3055-3066, 2006.
[3] Müller, I., Brinkmann, U. and Kenig, E.Y.
Modeling of transport phenomena in two-phase film-flow systems: application to monolith reactors
In: Chemical Engineering Communications 198: 629-651, 2011.
[4] Brinkmann, U., Schildhauer, T. and Kenig, E.Y.
Hydrodynamic analogy approach for modelling of reactive stripping with structured catalyst supports
Chemical Engineering Science 65: 298-303, 2010
[5] Brinkmann, U., Shilkin, A. and Kenig, E.Y.
Modelling of reactive separation processes in structured packed columns with the hydrodynamic analogy approach.
In: CAMURE-6, 6th International Symposium on Catalysis in Multiphase Reactors & ISMR-5 5th International Symposium on Multifunctional Reactors. Pune, India: 2007.
[6] Brinkmann, U., Janzen, A. and Kenig, E.Y.
Hydrodynamic analogy approach for modelling reactive absorption
In: Chemical Engineering Journal 250: 342-353, 2014.
[7] Janzen, A., Steube, J., Aferka, S., Kenig, E.Y., Crine, M., Marchot, P. and Toye, D.
Investigation of fliquid flow morphology inside a structured packing using X-ray tomography
In: Chemical Engineering Science 102: 451-460, 2013.

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