Zellenmodell zur Auslegung von Packungs­kolonnen und Flüssig­keits­verteilern

Packungskolonnen werden häufig zur Umsetzung der verfahrenstechnischen Grund­operationen Rektifikation, Absorption und Desorption eingesetzt. Doch bis heute ist die Auslegung von Packungskolonnen mit großen Un­sicher­heiten behaftet. Einer der Hauptgründe dafür ist die sog. „Maldistribution“, eine ungleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über den Kolonnen­quer­schnitt, die sich mit der Lauflänge der Flüssigkeit in der Packung ausbildet. Aus dieser Flüssigkeitsmaldistribution resultieren Konzentrations­unter­schiede über den Kolonnenquerschnitt, die eine Verschlechterung der Trennleistung zur Folge haben. Die Vorhersage der Flüssigkeitsverteilung in Packungs­kolonnen kann dabei bis heute nur unzureichend vorhergesagt werden. [1]

Im Rahmen des von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Kooperationsprojekts "Zellenmodell zur Auslegung von Packungskolonnen und Flüssigkeitsverteilern" (AZ-1033-12) sollte eben diese Vorhersage der Flüssigkeitsverteilung verbessert werden. Dazu wurden an drei Standorten der Projektpartner experimentelle Untersuchungen zur Flüssigkeitsverteilung in Packungskolonnen durchgeführt. Der Hauptteil der Messungen entfiel dabei auf eine Packungskolonne mit 1,2 m Durchmesser an der Technischen Universität München, an der ein weites Feld von Versuchs- und Betriebs­parametern – Füllkörpertyp, Packungshöhe, Flüssigkeitsverteiler, Berieselungsdichte und Gasbelastung – mit dem Stoffsystem Wasser/Luft untersucht wurde. [2–4] Bei der RVT Process Equipment GmbH wurden Versuche an einer Packungskolonne mit einem Durchmesser von 2,0 m, ebenso mit dem Stoffsystem Wasser/Luft durchgeführt, um die Skalierbarkeit der Versuchsdaten auf Kolonnen­durch­messer im industriellen Maßstab zu überprüfen. Die Linde AG führte Versuche an einer Packungs­kolonne mit 0,4 m Durchmesser durch, mit der Besonderheit, dass in dieser Versuchsanlage das Stoff­system Isohexan/Stickstoff eingesetzt werden konnte.

Die Auswertung der experimentellen Untersuchungen wurde schließlich herangezogen, um ein von der Firma WelChem entwickeltes Zellenmodell [5] zur Vorhersage der Flüssigkeitsverteilung weiterzuentwickeln und zu validieren. Dabei wurde das Zellenmodell durch die Implementierung fluiddynamischer Abhängigkeiten und einer verfeinerten Betrachtung der Vorgänge an der Kolonnenwand maßgeblich verbessert [6]. Nach erfolgreicher Validierung des TUM-WelChem-Zellenmodells wird dieses nun zur Auslegung von Flüssig­keits­verteilern mit optimiertem Tropfstellenraster herangezogen [7]. Auch im Bereich der Prozesssimulation bieten sich durch die Verwendung eines sog. "parallele Kolonnen-Modells" Einsatzmöglichkeiten für das TUM-WelChem-Zellen­modell, um den Einfluss der Flüssigkeitsverteilung auf die Trennleistung von Packungskolonnen vorherzusagen. [8]

[1] A. Mersmann, M. Kind, J. Stichlmair: Thermische Verfahrenstechnik: Grundlagen und Methoden. 2nd ed., Springer, Berlin 2005.
[2] F. Hanusch, S. Rehfeldt, H. Klein: Flüssigkeitsmaldistribution in Füllkörperschüttungen: Experimentelle Untersuchung der Einflussparameter. Chem. Ing. Tech. 2017, 89 (11), 1550–1560. doi 10.1002/cite.201700015
[3] F. Hanuš, S. Rehfeldt, H. Klein: Zellenmodell zur Auslegung von Packungskolonnen Teil 1: Untersuchung der Flüssigkeitsverteilung in Füllkörperpackungen. Chem. Ing. Tech. 2015, 87 (8), 1063–1064. doi 10.1002/cite.201550041
[4] F. Hanusch, S. Rehfeldt, H. Klein: Liquid Maldistribution in Random‐Packed Columns: Experimental Investigation of Influencing Factors. Chem. Eng. Technol. 2018, 41 (11), 2241–2249. doi 10.1002/ceat.201800467
[5] A. Wild, V. Engel, F. Hanuš, S. Rehfeldt, H. Klein: Zellenmodell zur Auslegung von Packungskolonnen Teil 2: Das WelChem‐ Zellenmodell zur Berechnung der Maldistribution. Chem. Ing. Tech. 2015, 87 (8), 1103. doi 10.1002/cite.201550077
[6] F. Hanusch, R. Kender, V. Engel, S. Rehfeldt, H. Klein: TUM–WelChem cell model for the prediction of liquid distribution in random packed columns. AIChE J. 2019, 65 (8). doi 10.1002/aic.16598
[7] F. Hanusch, M. Künzler, M. Renner, S. Rehfeldt, H. Klein: Liquid distributor design for random packed columns. Chem. Eng. Res. Des. 2019, 147, 689–698. doi 10.1016/j.cherd.2019.05.035
[8] F. Hanusch, V. Engel, R. Kender, S. Rehfeldt, H. Klein: Development and Application of the TUM-WelChem Cell Model for Prediction of Liquid Distribution in Random Packed Columns. Chem. Eng. Trans. 2018, 69, 739–744. doi 10.3303/cet1869124

Die Projektskizze wurde zusammen mit der WelChem GmbH entwickelt, die außerdem ihre Kolonnenauslegungssoftware TrayHeart sowie die ur­sprüng­li­che Version des WelChem-Zellenmodells bereitstellte.

Die RVT Process Equipment GmbH stellte im Rahmen des Projekts die Räum­lich­keiten ihres Verteilerteststands zur Verfügung und ermöglichte Flüssig­keits­ver­teilungs­messungen an einer Packungskolonne mit 2,0 m Durch­messer. Au­ßer­dem versorgte RVT die anderen Projektpartner mit Füllkörpern für die ex­pe­ri­men­tel­len Untersuchungen.

Die Linde AG führte Messungen an einer Packungskolonne mit 0,4 m Durch­­messer durch - mit der Besonderheit, dass in dieser Kolonne das Stoffsystem Isohexan/Stickstoff eingesetzt werden konnte.

Das Kooperationsprojekt Zellenmodell zur Auslegung von Packungs­kolonnen und Flüssigkeitsverteilern wurde von der Bayerischen For­schungs­stif­tung (AZ-1033-12) gefördert.