Numerische Untersuchung der Flüssigkeitstopologie in strukturierten Packungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eugeny Kenig
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429264092

Die Trennung fluider Stoffgemische in Gas/flüssig-Kontaktapparaten, wie Rektifikations-, Absorptions- oder Desorptionskolonnen, ist in der Prozessindustrie von zentraler Bedeutung. Die Trennleistung hängt maßgeblich von der Art und Form der Strömung der beiden Phasen und der Größe der Phasengrenzfläche andererseits ab. Die Phasengrenzfläche lässt sich durch die Verwendung von strukturierten Packungen als Kolonneneinbauten vergrößern. Geometrische Parameter, wie Neigungswinkel, Makro- und Mikrostruktur der Packung, beeinflussen dabei die Strömungsform. Dazu kommt der Einfluss der Stoffeigenschaften der Gemische, wie Viskosität, Benetzbarkeit und Dichtedifferenz, sowie der betrieblichen Einflussgrößen, d. h. spezifische Flüssigkeits- und Gasbelastung, Flüssigkeitsaufgabe und Stromführung. Für eine optimale Auslegung von Trennapparaten sind detaillierte Kenntnisse lokaler Strömungsphänomene wesentlich. Jedoch gehen derzeitige Modelle zur Beschreibung der effektiven Phasengrenzfläche und des Hold-ups vereinfachend von einer empirisch bestimmten Teilbenetzung der geometrischen Packungsoberfläche mit einem Film konstanter Dicke aus. Allerdings zeigen Untersuchungen auf schrägen Platten und in Packungskolonnen, dass in der Realität Film-, Rinnsal- und gegebenenfalls Tropfenströmungen sowie stagnierende Flüssigkeitsansammlungen auftreten. Diese unterschiedlichen Formen der Flüssigkeitsströmung stellen auf ihr Volumen bezogen sehr unterschiedliche Phasengrenzflächen bereit und sollen daher in den fluiddynamischen Modellen berücksichtigt werden.In diesem Projekt sollen die Grundlagen geschaffen werden, die eine realistische Auslegung von Apparaten mit überwiegend auftretender Filmströmung, insbesondere Packungskolonnen, gestatten. Hierzu soll die Strömungstopologie auf strukturierten Oberflächen in Abhängigkeit von stofflichen, geometrischen und betrieblichen Parametern untersucht werden. Dabei werden numerische Simulationen eingesetzt, um grundlegende Erkenntnisse über die komplexe Fluiddynamik in strukturierten Packungsgeometrien zu gewinnen. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden Informationen über die lokal auftretenden Strömungsphänomene sowie Verweilzeitverteilungen liefern. Daraus werden Korrelationen abgeleitet, die eine verbesserte Apparateauslegung ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen