Quantitative Beschreibung von Koaleszenzvorgängen in Extraktionskolonnen

Kopriwa, Nicole Sabine; Pfennig, Andreas

doi:4893

Quantitative Beschreibung von Koaleszenzvorgängen in Extraktionskolonnen = Quantitative description of coalescence events in extraction columns

Kopriwa, Nicole Sabine (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nicole Sabine Kopriwa

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

Umfang233 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pfennig, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-06-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-48937
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229074/files/4893.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik (N.N.) (416310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Koaleszenz (Genormte SW) ; Extraktion (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; coalescence (frei) ; extraction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ein wichtiger Aspekt bei der Dimensionierung von Extraktionsprozessen ist die Bestimmung der Koaleszenzeigenschaften eines Systems. Da das Koaleszenzverhalten eines Stoffsystems bereits durch Spurenverunreinigungen stark beeinflusst werden kann, sind zur Charakterisierung der Koaleszenz immer Untersuchungen mit dem System durchzuführen, welches auch für den späteren Extraktionsprozess eingesetzt wird. In der Literatur sind dazu verschiedene Messmethoden bekannt, mit denen das Koaleszenzverhalten eines Systems ermittelt werden kann. Zur Auslegung von Mischer-Abscheider-Prozessen bietet der diskontinuierliche Absetzversuch eine vergleichsweise schnelle Methode, um die Koaleszenzeigenschaften eines Systems zu charakterisieren. Dagegen sind die in der Literatur beschriebenen Methoden zur experimentellen Ermittlung des Koaleszenzverhaltens in Extraktionskolonnen mit deutlich höherem Aufwand verbunden, da aufwändige Technikumsversuche durchgeführt werden müssen. Ziel der Arbeit war es daher, eine Methode zu entwickeln, mit der auch die Koaleszenz für Extraktionskolonnen mit möglichst geringem Aufwand charakterisiert werden kann. Dazu wurden drei verschiedene Messmethoden, die in der Literatur für die experimentelle Untersuchung der Koaleszenz für verschiedene Extraktionsprozesse beschrieben und validiert sind, im Rahmen dieser Arbeit untersucht und verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass der diskontinuierliche Absetzversuch, der mit relativ geringem Aufwand durchgeführt werden kann, auch für die Charakterisierung der Koaleszenz in Extraktionskolonnen verwendet werden kann. Um die Ergebnisse aus dem Absetzversuch auf Extraktionskolonnen übertragen zu können, wurden entsprechende Modellansätze aus der Literatur weiterentwickelt. Dabei wird das Koaleszenzverhalten in einer Kolonne in zwei Beiträge diskriminiert: Einerseits sind die apparatespezifischen hydrodynamischen Einflüsse zu berücksichtigen, die beispielsweise den lokalen Turbulenzgrad sowie die Kontaktzeit zwischen sich begegnenden Tropfen bestimmen. Diese müssen für eine gegebene Kolonnengeometrie nur einmal bestimmt werden. Der zweite Beitrag resultiert aus dem eigentlichen stoffsystemspezifischen Koaleszenzverhalten. Der Einfluss des Stoffsystems auf die Koaleszenz kann dabei basierend auf den Ergebnissen aus einem Absetzversuch quantifiziert werden. Somit ist es mit Hilfe der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methode möglich, das Koaleszenzverhalten eines Systems für verschiedene Extraktionsapparate, sowohl Mischer-Abscheider als auch Extraktionskolonnen, mit einem einfachen und schnell durchführbaren Laborversuch zu ermitteln.

A significant aspect of designing an extraction apparatus is determining the coalescence behavior of a given material system. As coalescence is strongly influenced by traces of impurities, tests have to be carried out with the same system, which is used for the later extraction process. Different measurement methods for determining the coalescence behavior of a system are described in the literature. The coalescence behavior for designing mixer-settler processes can be quantified in simple discontinuous lab-scale settling tests. At the same time, quantifying coalescence of a system in an extraction column is tedious as pilot-plant experiments have to be performed. Therefore, it was the objective of this work to develop a method to characterize the coalescence behavior in extraction columns with minimal effort. For this purpose, different measurement techniques discussed in the literature for quantifying coalescence were applied and compared. It was shown that the discontinuous settling test, which can be performed with comparatively low effort, can also be applied for characterizing coalescence in extraction columns. For transferring the results of the settling tests to extraction columns, model approaches, which are given in the literature, were improved. By applying these models, the coalescence behavior in extraction columns is separated into two factors: On the one hand, hydrodynamic effects determining e.g. frequency of drop collisions and collision intensity have to be modeled. The hydrodynamic effects depend on the geometry of a specific column and on the operating conditions and have to be characterized only once for each column type. On the other hand, coalescence behavior of a specific material system has to be quantified. The influence of the material system on the coalescence is characterized by the settling experiments. Thus, this new approach allows a universal characterization of coalescence for all common extraction equipment, namely mixer-settlers as well as columns, where the system specific coalescence is characterized in a simple and fast lab-scale experiment.

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