Single drop based modelling of drop residence times in Kühni columns

Buchbender, Florian; Pfennig, Andreas

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-46252

Single drop based modelling of drop residence times in Kühni columns = Einzeltropfenbasierte Modellierung von Tropfenverweilzeiten in Kühni-Kolonnen

Buchbender, Florian (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Florian Buchbender

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangVII, 120 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-46252
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/230025/files/4625.pdf

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flüssig-Flüssig-Extraktion (Genormte SW) ; Verweilzeitverteilung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Einzeltropfen (frei) ; Kühni Extraktionskolonnen (frei) ; Tropfenpopulationsbilanzen (frei) ; solvent extraction (frei) ; single drops (frei) ; residence-time distribution (frei) ; Kühni extraction columns (frei) ; drop-population balances (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Tropfenpopulationsbilanzen-Tools wie „ReDrop“ bieten das Potential einer schnellen und effizienten Optimierung der Kompartmentgeometrie entlang von Kühni-Extraktionskolonnen. Um dieses Potential sicher zu nutzen, ist ein quantitatives Verständnis zum Einfluss der Kompartmentgeometrie und Betriebsgrößen wie Drehzahl und kontinuierlicher Gegenstrom auf die mittlere Tropfenverweilzeit und die Verweilzeitverteilung notwendig. Daher wird in dieser Arbeit mithilfe von Kühni-Kompartments der Einfluss von Geometrie und Betriebsgrößen auf die Verweilzeiten von Tropfen verschiedener Durchmesser systematisch untersucht. Dabei werden für jeden Betriebspunkt die Bewegungen von bis zu 100 Einzeltropfen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen. Bei der Analyse der Videoaufnahmen werden Tropfenverweilzeiten sowohl für das Gesamtkompartment als auch für drei verschiedene Kompartmentzonen erfasst. Diese Kompartmentzonen sind Zone 1 zwischen unterem Stator und Rührer, Rührer-Zone 2 und Zone 3 zwischen Rührer und oberem Stator. Des Weiteren werden Effekte wie Tropfenrückvermischung zwischen Kompartmentzonen und Kompartments sowie Phänomene wie Rührer- und Statorkontakt der Tropfen quantitativ ausgewertet. Diese detaillierte Auswertung des Tropfenverhaltens im Kompartment zeigt u.a., dass die mittlere Tropfenverweilzeit in der oberen Kompartment-Zone 3 bis zu viermal länger ist als in der unteren Zone 1. Es wird dann gezeigt, dass eine Reduzierung der Kompartmenthöhe von 20% bei gleichzeitiger asymmetrischer Positionierung des Rührers im Kompartment möglich ist, ohne dass sich die mittlere Tropfenverweilzeit maßgeblich ändert. Auf Basis der experimentellen Erkenntnisse wird das Zone-Walk-Modell zur Beschreibung der Tropfen-Verweilzeitverteilung in Kühni-Kompartments entwickelt, das mit stochastischen Methoden die Interaktionen des Tropfens mit Kolonneneinbauten und Strömungsfeld im Kompartment abbildet. Das Modell besteht aus 3 Untermodellen, eins für jede Zone. Tropfen können dabei durch Austrittsfrequenzen zwischen den einzelnen Zonen sowie Kompartments vorwärts- und rückvermischt werden. Es wird gezeigt, dass das Modell die Tropfenverweilzeiten in Kühni-Kompartments nicht nur für die untersuchten Kompartmentgeometrien und Betriebsgrößen mit guter Genauigkeit beschreibt, sondern auch erfolgreich auf weitere Kompartmentgeometrien und Stoffsysteme aus der Literatur extrapolierbar ist. Abschließend wird das Zone-Walk-Modell in „ReDrop“ implementiert und durch einen Abgleich von Simulationsergebnissen und Literaturdaten für zwei Kühni-Kolonnen im Technikumsmaßstab erfolgreich validiert.

Drop-population balance tools such as “ReDrop” have the potential to be beneficial as they allow the compartment geometry along Kühni extraction columns to be quickly and efficiently optimized. In order to reliably use this potential, a quantitative understanding of the effect of compartment geometry and operating conditions such as impeller speed and counter-current flow on mean drop residence time and drop residence-time distribution is needed. Therefore, this work systematically investigates the impact of compartment geometry and operating conditions on the residence time of drops with different diameters, using single drop measurements in lab-scale cells with Kühni compartments. For each operating point, drop movement of up to 100 single drops is recorded with a high-speed camera. Here, drop residence times are not only evaluated for the entire compartment but also for three different compartment zones. These compartment zones are the lower zone 1 between bottom stator and impeller, the impeller zone 2, and the upper zone 3 between impeller and upper stator. Additionally, drop back-mixing between the compartment zones and compartments as well as the number of drops hitting the upper stator or the impeller are evaluated quantitatively. Amongst other things, this detailed evaluation of drop behavior inside the compartment shows that on their way through the compartment, drops spend up to four times longer in zone 3 than in zone 1. It is then shown that it is possible to reduce compartment height by 20% while positioning the impeller asymmetrically inside the compartment without this having any significant effect on mean drop residence time. On the basis of the experimental findings, the Zone-walk model is developed. This model describes drop residence times in Kühni compartments using stochastic methods in order to map drop interaction with internals and the velocity fields inside the compartment. The Zone-walk model is divided into three sub-models, each sub-model describing drop movement in one of the compartment zones. In this model, drops can be back- and forward-mixed between the individual compartment zones as well as between compartments. The Zone-walk model not only accurately describes the influence on drop residence times of the compartment geometries and operating conditions investigated, but can also be successfully extrapolated to further compartment geometries and liquid-liquid systems from the literature. Finally, the Zone-walk model is successfully validated in combination with “ReDrop” by comparing simulation results with data from the literature for two pilot-plant Kühni columns.

Fulltext:
PDF