Volker dissertation, 1999

Lehrstuhl fr Fluidverfahrenstechnik der

Technischen Universitt Mnchen

Fluiddynamik in Packungskolonnenfr Gas-Flssig-Systeme

Volker Engel

Vollstndiger Abdruck der von der Fakultt fr Maschinenwesen der Technischen Universitt Mnchen zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktor - Ingenieurs

genehmigten Dissertation.

Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. K. Strohmeier

Prfer der Dissertation:

1. Univ.-Prof. Dr.-Ing., Dr.-Ing. habil. J. Stichlmair

2. Univ.-Prof. Dr.-Ing., Dr.-Ing. E.h. E. Bla, em.

Die Dissertation wurde am 21. Januar 1999 bei der Technischen Universitt Mnchen eingereicht und durch die Fakultt fr Maschinenwesen am 24. Mrz 1999 angenom-men.

Vorwort

Die vorliegende Forschungsarbeit wurde von der Firma Rauschert Verfahrenstechnik GmbH initiiert und in Kooperation mit dem Lehrstuhl fr Fluidverfahrenstechnik (vor-mals Lehrstuhl A fr Verfahrenstechnik) der Technischen Universitt Mnchen umge-setzt. Durch diese Konstellation ist die Arbeit gleichermaen vom wissenschaftlichen Anspruch wie von der Forderung der praktischen Relevanz getragen.

Allen, die zum Entstehen und Gelingen der Arbeit beigetragen haben, und fr die mir im Projekt gewhrten Freiheiten bin ich sehr dankbar.

Herrn Prof. Dr.-Ing. Johann Stichlmair danke ich fr sein stetes Interesse an diesem Pro-jekt und die Untersttzung der Forschungsarbeit.

Dem Geschftsfhrer der Rauschert Verfahrenstechnik GmbH, Herrn Dr.-Ing. Werner Geipel, gilt mein besonderer Dank fr die praktische und finanzielle Frderung des Pro-jektes.

Herrn em. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Echkart Bla gebhrt mein herzlicher Dank fr die bernahme des Korreferates sowie sein Interesse am Fortschritt der Arbeit.

Herrn Prof. Dr.-Ing. Klaus Strohmeier danke ich fr die bernahme des Prfungsvorsit-zes.

Besonders darf ich mich auch bei Ingo Wagner bedanken, der durch seine Diplomarbeit, seine Ideen und in vielen Diskussionen zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat.

Allen Kollegen und Mitarbeitern am Lehrstuhl und bei der Firma Rauschert gilt mein herzlicher Dank fr die mir gewhrte Untersttzung und die angenehme Arbeitsatmo-sphre.

Eichenau, im April 1999 Volker Engel

InhaltsverzeichnisIV

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

1 Einfhrung .......................................................................................... 11.1 Bauteile von Packungskolonnen ......................................................................... 21.2 Auslegung von Packungskolonnen ..................................................................... 41.3 Packungsformen .................................................................................................. 71.3.1 Fllkrper ............................................................................................................ 71.3.2 Geordnete Packungen.......................................................................................... 9

2 Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit .................................... 10

3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung .................................... 123.1 Versuchsaufbau und Metechnik....................................................................... 133.1.1 Versuchsaufbau.................................................................................................. 133.1.2 Allgemeine Metechnik .................................................................................... 153.1.3 Holdup-Meverfahren ....................................................................................... 163.1.4 Megenauigkeit ................................................................................................. 263.2 Versuchsdurchfhrung....................................................................................... 273.3 Versuchsprogramm............................................................................................ 313.4 Zusammenfassung ............................................................................................. 32

4 Flssigkeitsinhalt von Packungen ..................................................... 334.1 Haftflssigkeitsinhalt......................................................................................... 354.1.1 Experimentelle Daten zum Haftflssigkeitsinhalt............................................. 354.1.2 Verffentlichte Modellanstze zum Haftflssigkeitsinhalt ............................... 364.1.3 Modellierung des Haftflssigkeitsinhalts .......................................................... 384.2 Gesamtflssigkeitsinhalt ................................................................................... 394.2.1 Experimentelle Daten zum Gesamtflssigkeitsinhalt........................................ 394.2.2 Verffentlichte Modellanstze zum Gesamtflssigkeitsinhalt .......................... 404.2.3 Modellierung des Gesamtflssigkeitsinhalts ohne Gasgegenstrom .................. 444.2.4 Modellierung des Gesamtflssigkeitsinhalts mit Gasgegenstrom..................... 484.2.5 Modellvergleich................................................................................................. 514.3 Zusammenfassung ............................................................................................. 53

5 Druckverlust von Packungen ............................................................ 545.1 Experimentelle Daten zum Druckverlust .......................................................... 57V

5.2 Verffentlichte Modellanstze zur Beschreibung des Druckverlusts................ 58

Inhaltsverzeichnis

5.2.1 Modell von Mersmann (MERSMANN 1994 und BORNHTTER 1991) ............595.2.2 Modell von Mackowiak (MACKOWIAK 1991) .................................................615.2.3 Modell von Billet und Schultes (BILLET UND SCHULTES 1993) ....................615.2.4 Modell von Stichlmair (STICHLMAIR ET AL. 1989) ........................................625.3 Modellierung des Druckverlusts ........................................................................665.4 Betriebsgrenzen von Packungen ........................................................................745.5 Zusammenfassung..............................................................................................75

6 Phasengrenzflche .............................................................................776.1 Konzept der bergangseinheiten .......................................................................786.2 Konzept der Gleichgewichtsstufen ....................................................................796.3 Charakteristik des Stoffaustauschs.....................................................................806.4 Verffentlichte Modellanstze zur effektiven Austauschflche.........................816.4.1 Modell von SEMMELBAUER 1966 ....................................................................826.4.2 Modell von ONDA ET AL. 1968........................................................................826.4.3 Modell von ZECH 1978 .....................................................................................836.4.4 Modell von BRAVO UND FAIR 1982 ................................................................846.4.5 Modell von SHI UND MERSMANN 1984 ..........................................................846.4.6 Modell von BORNHTTER 1991 .......................................................................856.4.7 Modell von BILLET UND SCHULTES 1993 ......................................................866.5 Modellierung der Phasengrenzflche.................................................................866.6 Modellvergleich .................................................................................................886.7 Zusammenfassung..............................................................................................90

7 Zusammenfassung und Ausblick .......................................................91

8 Anhang ...............................................................................................938.1 Beschreibung des trockenen Druckverlusts von Packungen..............................938.2 Verzeichnis von Packungsdaten .........................................................................948.3 Berechnungsgleichungen zur Bestimmung des Flutpunkts ...............................99

9 Literaturverzeichnis ........................................................................ 101VI

Formelzeichen

Basiszeichen

a m/m Spezifische OberflcheA m FlcheB m/(m h) BerieselungsdichteC F KapazittC Konstanted m DurchmesserD m KolonnendurchmesserF Gasbelastungsfaktor F Parameter g m/s Erdbeschleunigung

kmol/s Molenstrom Gash m/m Flssigkeitsinhalt, HoldupHETP m Height Equivalent to Theoretical PlateHTU m Height of a Transfer Unitk kmol/(ms) StoffdurchgangskoeffizientK Wandfaktor L kmol/s FlssigkeitsstromL m Hhem mol/mol Steigung der Gleichgewichtslinie

kg/kmol Molmasse

Pa F uG G

G

MVII

n Anzahl der TrennstufenN #/m SchttdichteNTU Number of Transfer Unitsp Pa Drucks m Abstand

Griechische Formelzeichen

Indizes und Kopfzeiger

u m/s GeschwindigkeitX Hilfsfunktionz #/m Spezifische Anzahl

Winkelm/s Volumetrischer Stoffdurchgangskoeffizient

D Differenz

Dielektrizittskonstante

m/m Lckengrad, Porosittkg/(m s) Dynamische Viskositt

Strippingfaktorkg/m Dichte

RandwinkelN/m Oberflchenspannung

p KreiszahlWiderstandsbeiwert

bei Anwesenheit von Flssigkeit* dimensionslose Gre0 ohne Gasgegenstrom, unterhalb des Staupunkts32 Sauterdurchmesseraus Austrittber berechnetein Eintritteff effektivexp experimentellE EinzelpartikelFl am FlutpunktG gasfrmig, Gasges gesamt

0 Fm---- 0 8,8541878 10

12 Fm----=

VIII

geo geometrischh hydraulischL flssig, von der Flssigkeit beeinflutmax maximalN NenngrePh Phasengrenzereal in der RealittS SchwarmT Tropfentheo theoretischO overallIX

1 Einfhrung

Gas-Flssig-Kontaktapparate bilden das Herz der thermischen Trenntechnik. Sie kommen in den Bereichen Rektifikation, Absorption und Desorption zum Einsatz. Ihre technische Bedeutung lt sich an der Anzahl der betriebenen Kolonnen belegen, wobei jedoch nur Teilbereiche dokumentiert sind. So werden z.B. allein in den USA etwa 40.000 Destillationskolonnen betrieben (HUMPHREY 1995), die Zahl der in der Abgasreinigung eingesetzten Absorptionskolonnen liegt sicher deutlich hher.

Um eine hohe Stoffaustauschleistung in solchen Apparaten zu erzielen, mu eine groe Grenzflche zwischen den Phasen realisiert werden. Verschiedene Kontaktelementty-pen haben sich in der Praxis etabliert. Bden (Siebbden, Glockenbden, Ventilbden und Dualflowbden), regellose Fllkrperschttungen und geordnete Packungen in den verschiedensten Werkstoffen bilden das Portfolio des Verfahrensingenieurs zur appa-rativen Lsung von Trennaufgaben in Gas-Flssig-Kontaktapparaten.

Hatten Neuentwicklungen solcher Elemente jeweils anfnglich den Anspruch die bis-herige etablierte Technik zu revolutionieren und gnzlich zu ersetzen, so stehen in der Praxis mittlerweile die verschiedenen Kontaktelementtypen mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen in Konkurrenz, und fr jeden konkreten Fall wird die Entscheidung fr oder gegen ein Kontaktelement vom Projektingenieur neu getroffen. In vielen Berei-chen der Absorption (Wsche), der Desorption (Strippen) und der Khlung herr-schen aufgrund der groen Packungsvolumina die im Vergleich preiswerten Fllkrper vor. Die Rektifikationstechnik (insbesondere bei niederen Drcken) wird von geordne-ten Packungen aufgrund des erzielbaren geringen spezifischen Druckverlusts domi-niert. Bden finden Anwendung bei zu Verkrustung neigenden Systemen oder hoher geforderter Trennleistung (z.B. Propan/Butan-Splitter).1

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die Packungskolonnen, wobei Packung in dieser Arbeit als berbegriff fr regellose Fllkrper und geordnete (strukturierte) Packungen verwendet wird.

1 Einfhrung

Neben der Packung mssen eine Vielzahl von Komponenten und Baugruppen bei der Auslegung einer Kolonne bercksichtigt und aufeinander abgestimmt werden. Die Komponenten einer Packungskolonne (Kap. 1.1), sowie ein berblick ber die Ent-wicklung von Fllkrpern und geordneten Packungen (Kap. 1.3) gibt einen Eindruck ber die Vielzahl an gestalterischen Freiheitsgraden (und damit auch Fehlermglichkei-ten) bei der Auslegung von Packungskolonnen. Das Vorgehen bei der Auslegung von Packungskolonnen (Kap. 1.2) dokumentiert die fr eine erfolgreiche Berechnung not-wendige mehrstufige Iteration und gibt damit gleichzeitig erste Hinweise fr das Pflichtenheft eines praktisch gut einsetzbaren Modells.

1.1 Bauteile von Packungskolonnen

Der Kontakt zwischen Flssigkeit und Gas findet in der Packung statt. Neben diesem als aktiv bezeichneten Teil einer Kolonne wird jedoch noch eine Vielzahl an Einbau-ten bentigt, um mglichst gute Bedingungen fr den Stoffbergang zu schaffen. Abb. 1.1 zeigt eine Packungskolonne fr den Einsatz in der Rektifikation.

Die Flssigkeit mu ber den Kolonnenquerschnitt mglichst gleichmig verteilt wer-den. Die Bauformen der hierzu eingesetzten Flssigkeitsverteiler sind vielfltig. Bei den in Abb. 1.1 dargestellten Variante handelt es sich um einen Rinnenverteiler mit zen-traler Speiserinne. Der Anforderungskatalog fr solche Verteiler reicht von hchster Verteilungsgte, statischer und thermischer Festigkeit, groem Arbeitsbereich (Funkti-onstchtigkeit bei groen Lastschwankungen in der Flssigkeitsverteilung) bis hin zur problemlosen Montierbarkeit durch Montageffnungen.

Die aktiven Bereiche (Packungen im Abtriebs- und Verstrkungsteil der Rektifkations-kolonne) mssen bei Gefahr von Flssigkeitsfehlverteilungen (Maldistribution) auf-grund groer Packungshhen durch Einbauten zur Flssigkeitssammlung und Flssigkeitsneuverteilung unterbrochen werden. Solche sog. Wiederverteilungenhneln der in Abb. 1.1 dargestellten Baugruppe fr die Feedeinspeisung. Fr kleinere Durchmesser werden auch oft Randabweiser (umlaufende, oft auch geschlitzte Blech-krempen) eingesetzt.

Jede Packung liegt auf einem Auflagerost, der zum einen das Gewicht der Packung und der enthaltenen Flsigkeit auffangen mu, zum anderen fr den Gasstrom keine unzulssige Engstelle darstellen darf. Hierbei werden ebene Tragroste und sog. Profil-tragroste eingesetzt. Um bei hohen Dampfgeschwindigkeiten das Lockern der Packung 2

1.1 Bauteile von Packungskolonnen

FlssigkeitsverteilerNiederhalterost

Packung

Auflagerost

Flssigkeitssammler

FlssigkeitsverteilerNiederhalterost

Packung

Auflagerost

Gasverteilung

Standzarge

Dampf -Einspeisung

Flssigkeitsabzug

Wartungs- bzw.Montageffnung

Wartungs- bzw.Montageffnung

Rcklaufeinspeisung

Dampfabzug

Feedeinspeisung3

Abbildung 1.1: Bauelemente einer Packungskolonne (Rektifikation) (SULZER)

1 Einfhrung

bzw. den Austrag von Fllkrpern zu verhindern, werden Niederhalteroste auf die Packung gelegt, die mit ihrem Eigengewicht dies verhindern.

Bei groen Kolonnendurchmessern mu auch eine mgliche Fehlverteilung des Damp-fes vermieden werden. Besonders bei geordneten Packungen mit geringem spezifischen Druckverlust mu dieser Gefahr mit geeigneten Gasverteilern begegnet werden. Auch hier werden unterschiedliche Bauformen von Herstellerfirmen angeboten, die vom geschlitzten Rohr (siehe Abb. 1.1) bis hin zu aufwendigen Lamellenstrukturen reichen.

1.2 Auslegung von Packungskolonnen

Die Lsung eines Trennproblems beginnt normalerweise (nach der Sammlung der phy-sikalischen Daten, sowie der bentigten Gleichgewichtsparameter der Komponenten) mit der thermodynamischen Berechnung. Diese thermodynamische Berechnung liefert die internen Strme einer Kolonne. Auf Grundlage dieses Stromprofils kann die fluid-dynamische Auslegung der Kolonne erfolgen.

Von der Problemstellung ist das Vorgehen bei der Auslegung von Packungskolonnen abhngig. Werden die Einbauten (Packung, Auflagerost, Flssigkeitsverteiler, Wieder-verteiler/Wandabweiser) einer bestehenden Kolonne durch neue ersetzt, um z.B. den Durchsatz oder die Trennleistung zu steigern, so spricht man von einem Revamp der Kolonne. Die Geometrie (Kolonnendurchmesser und die fr Einbauten zur Verfgung stehende Hhe) liegt fest und stellt keinen Freiheitsgrad der Auslegung dar. Durch die in der bestehenden Anlage gewonnenen Betriebserfahrungen liegen Entscheidungshil-fen bei der Werkstoffwahl und eventuell notwendigen Manahmen z.B. gegen Verkru-stungen vor.

Die Auslegung einer neuen Packungskolonne besitzt gegenber dem Revamp deut-lich mehr Freiheitsgrade und stellt deshalb hhere Anforderungen an den Ingenieur, eine optimale Lsung zu finden. Das Vorgehen ist fr diesen Fall in Abb. 1.2 skizziert.

Zunchst mu eine Entscheidung zum eingesetzten Kontaktelementtyp (Fllkrper, geordnete Packung, Bden) fallen. Hier gilt es, die spezifischen Vor- und Nachteile zu bercksichtigen. Viele Standardwerke zur Dimensionierung von Apparaten geben hier Entscheidungsmatritzen und Empfehlungen (z.B. PERRY 1984, KISTER 1992, SATT-LER 1995, BILLET 1995, STICHLMAIR UND FAIR 1998).

Auch die Wahl eines bestimmten Werkstoffs fr Kolonnenmantel, Einbauten und Pak-kung ist sehr wichtig. Da die Folgen einer Fehlentscheidung hierbei gravierend sein 4

1.2 Auslegung von Packungskolonnen

Abbildung 1.2: Vorgehen bei der Auslegung von Packungskolonnen

Ende

Start

Thermodynamische Berechnung

Festlegung des Kontaktelementtyps, Wahl des Werkstoffs

Festlegung von Typ und Abmessung der Packung

FluiddynamischeBelastung technisch

sinnvoll?

Stoffbergangsberechnung zur Ermittlung der Packungshhe

Ja

Nein

Ja

Nein

Fluiddynamische Berechnung der Packung

Festlegung eines Kolonnendurchmessers

Auslegung von Flssigkeitsverteilern, Auflagerosten, Bett-Teilungen

Packungshhetechnisch sinnvoll?5

1 Einfhrung

knnen, mu versucht werden, grtmgliche Sicherheit, d.h. mglichst fundierte Informationen als Entscheidungsgrundlage zu besitzen.

Tabellenwerke fr Werkstoffbestndigkeiten geben zwar Korrosionsraten der Materia-lien gegenber Reinfluiden wieder, jedoch ist es schwierig, Informationen ber Gemi-sche unter Betriebsbedingungen zu erhalten. Hier sind Erfahrungen des Packungs- lieferanten oder des Betreibers unerllich.

Nach Festlegung der Abmessung der Packung (d.h. Fllkrpertyp und Nennabmessung der Fllkrper, bzw. Typ und spezifische Oberflche einer geordnenten Packung) kann die fluiddynamische Analyse fr einen angenommenen Kolonnendurchmesser erfol-gen. Je nach Ergebnis dieser Analyse kann es notwendig sein, einen anderen Kolonnen-durchmesser zu verwenden, bzw. einen anderen Packungstyp oder eine andere Packungsabmessung einzusetzen. Auch kann es sein, da die in der thermodynami-schen Berechnung ermittelten Strme aus Sicht der Fluiddynamik ungeeignet sind und eine vernderte thermodynamische Auslegung (nderung von Rckflu bzw. Gegen-strom) hier Abhilfe schaffen mu.

Aus der geforderten Trennleistung und der Stoffbergangsberechnung ergibt sich fr den eingesetzten Packungstyp die notwendige aktive Packungshhe. Liegt diese errech-nete Hhe bei technisch nicht sinnvollen oder nicht realisierbaren Werten, so mu im Auslegungsvorgehen an frherer Stelle eingegriffen werden (vgl. Abb. 1.2). Dies kann eine nderung der Packungsabmessung, der Kolonnengeometrie oder auch der thermo-dynamischen Auslegung (Rckflu, Gegenstrom) bedeuten. Erscheint die errechnete Packungshhe technisch sinnvoll, berschreitet jedoch bestimmte Grenzwerte, so mu aufgrund der Gefahr von Flssigkeitsfehlverteilung die Packung in mehrere Abschnitte geteilt werden und in den entstehenden Zwischenrumen eine Sammlung und Neuver-teilung der Flssigkeit vorgenommen werden.

Die technische Ausfhrung von Auflagerosten, Flssigkeitsverteilern, Gaseinteilung und Tropfenabscheidern mu auf die Packung und die spezifischen Anforderungen der Trennaufgabe abgestimmt werden.

Erst mit der Definition aller Komponenten der Kolonne kann eine zuverlssige Investi-tionskostenberechnung durchgefhrt werden. Sind die errechneten Investitionskosten nicht im Budgetrahmen, bzw. sollen apparative Alternativen geprft werden, so mu unter Bercksichtigung neuer Vorgaben der Berechnungablauf erneut ausgefhrt wer-den.6

1.3 Packungsformen

1.3 Packungsformen

1.3.1 Fllkrper

Die Verwendung von Naturkrpern zur Schaffung von groen Oberflchen fr den Stoffaustausch wird schon seit Jahrhunderten praktiziert. So wurden und werden z.B. Reisigbschel in Gradierwerken eingesetzt, um durch Verdunstung Sole zu konzentrie-ren. Diese als archaisch bezeichneten Fllkrperformen wurden durch die Erfindung des nach seinem Erfinder benannten Raschig-Rings in technischen Anwendungen abgelst. Das Patent von Fritz Raschig aus dem Jahre 1914 (RASCHIG 1914) definiert einen zylindrischen Ring, dessen Durchmesser gleich seiner Hhe ist. Durch diese Geo-metrie knnen homogene Schttungen realisiert werden, deren Packungsoberflchen den archaischen Formen deutlich berlegen sind. Mit diesem Patent beginnt die konti-nuierliche Weiterentwicklung von Fllkrperformen. Eine mgliche Gliederung dieser fast hundertjhrigen Fllkrperevolution ist in Abb. 1.3 dargestellt (BORNHTTER 1991, GEIPEL UND ULLRICH 1991). Man unterscheidet dabei zwischen drei Entwick-lungsschritten (sog. Generationen), drei prinzipiellen Grundformen (Kugel, Zylinder, Sattel) und den technisch relevanten Werkstoffen (Keramik, Metall und Kunststoff). Die Grundform der Kugel besitzt nur als keramischer Katalysatortrger in Reaktoren groe Bedeutung. Die evolutionren Mglichkeiten sowie die Fertigungsmglichkeiten in metallischen Werkstoffen sind fr die Kugelform jedoch eingeschrnkt, weshalb in Abb. 1.3 nur die beiden Grundformen Zylinder und Sattel dargestellt sind.

In der ersten Generation (m) besitzen die Fllkrper geschlossene Mantelflchen. Diese Formen zeichnet eine einfache Fertigbarkeit und damit ein gnstiger Preis aus. In Gas-Flssig-Kontaktapparaten werden sie heute nur noch selten eingesetzt, da sie einen hohen spezifischen Druckverlust und einen nennenswerten Anteil an Totvolumina besitzen. Diesen Nachteil versuchte man in den Fllkrperformen der zweiten Genera-tion (n) durch Aufbrechen der Vollmantelflchen zu beseitigen. Whrend es fr zylin-drische Krper fertigungstechnisch in allen Werkstoffen relativ einfach ist, die Flchen durch ffnungen zu durchbrechen, konnte diese Entwicklung nur bedingt auf Sattelkr-per und praktisch nicht auf Kugeln bertragen werden. Die Kombination aus vertretba-rem Fertigungsaufwand und gnstigen Druckverlustwerten machen diese Fllkrper attraktiv, und sie werden heute in Apparaten zur Stofftrennung hufig eingesetzt.

Um eine weitere Reduzierung des spezifischen Druckverlustes zu erreichen - auch bedingt durch den durch geordnete Packungen ausgelsten Entwicklungsdruck - wer-den in den Fllkrpern der dritten Generation () die Krperumrisse nur noch durch 7

1 Einfhrung

ein Gitter1 markiert. Um die fr den Stoffaustausch notwendige Materialoberflche jedoch nicht zu verlieren, werden die Flchen in das Innere des Rings verlegt. Dies gelingt bei Kunststoffkrpern besonders gut, da hier die Materialien bzw. die Ferti-gungsverfahren den Herstellern wenig Grenzen setzen.

Die Menge der angebotenen Fllkrperformen und -strukturen ist sehr vielfltig. Die im Anhang in Kap. 8.2 aufgefhrte Tabelle gibt einen berblick ber aktuelle und pra-xisrelevante Fllkrper.

Abbildung 1.3: Entwicklungsschritte der Fllkrpergrundform Zylinder und Sattel

Zylinder Sattel

Keramik Metall Kunststoff Keramik Metall Kunststoff

8

1. Die Fllkrper der dritten Generation werden deshalb auch als Gitterfllkrper bezeichnet.

1.3 Packungsformen

1.3.2 Geordnete Packungen

Geordnete Packungen knnen die Forderung nach homogener Struktur besser als regel-lose Fllkrperschttungen erfllen. Die Entwicklung von geordneten Packungen mit technischer Relevanz setzte deutlich spter als die der Fllkrper ein. Seit Mitte der sechziger Jahre entwickelt und verkauft die Firma SULZER als erster Anbieter Blech-packungen. Hierbei handelt es sich um gewellte dnne Bleche, die senkrecht in der Kolonne - zu Paketen zusammengefat - angeordnet werden (vgl. Abb. 1.4a). Diese

Grundstruktur (gewellte, vertikale Flchen) findet man auch bei fast allen Weiterent-wicklungen. Lochungen, Profilierung, Stanzungen oder die Verwendung von Drahtge-webe anstelle von Blechen fhrt auf geordnete Packungen mit neuen Eigenschaften (Abb. 1.4b). Auch die Verwendung nichtmetallischer Materialien (Kunststoffe und Keramik) ist in Grenzen mglich.

Durch Einnhen von Katalysatormaterial in Gewebetaschen knnen auch Spezialaus-fhrungen geordneter Packungen fr reaktive Systeme realisiert werden.

Die hohe realisierbare Austauschflche und der geringe spezifische Druckverlust zeich-nen geordnete Packungen aus. Dem steht ein relativ hoher Fertigungsaufwand (jede geordnete Packung mu an den Kolonnenquerschnitt genau angepat werden) und damit ein hoher Preis gegenber.

(a) (b)

Abbildung 1.4: Geordnete Packungen (SULZER) (a) Blechpackung Mellapak 250.X (b) Hochleistungspackung Optiflow9

2 Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit

Die Bedeutung und die Notwendigkeit einer gesicherten Vorausberechnung von Pak-kungen wurde in Kap. 1 ausgefhrt. Viele Forschungsarbeiten und Verffentlichungen seit Anfang dieses Jahrhunderts beschftigen sich mit der Beschreibung von Fluiddyna-mik und Stoffbergang in Packungskolonnen.

Die meisten der entwickelten Modelle geben ber empirische Korrelationen eine expe-rimentelle Datenbasis wieder. Durch die stete Entwicklung neuer Kontaktelementtypen werden solche empirischen Berechnungsanstze in ihrer bertragbarkeit auf neue Pak-kungsformen in Frage gestellt. Auf diesen Entwicklungsdruck ist die groe Anzahl von neuen verffentlichten Modellen zu Fluiddynamik und Stoffbergang in den letzten Jahrzehnten zurckzufhren. Die Hauptanzahl der verffentlichten Korrelationen ist empirischer Natur. Erst in der neueren Literatur finden sich Anstze, die auf der Basis einer Modellstruktur entwickelt wurden und damit den Anspruch einer allgemeinen bertragbarkeit haben. Prft man die Qualitt der verffentlichten Modelle an experi-mentellen Daten, oder vergleicht man die Auslegungsrechnung mit Betriebsdaten aus-gefhrter Anlagen, so mu man feststellen, da keines der verfgbaren Modell fr alle Fllkrperformen, Stoffsysteme und Betriebsbedingungen durchweg zufriedenstel-lende Ergebnisse liefern kann.

Ziel dieser Arbeit ist es, ein allgemeines Modell fr die Fluiddynamik in Packungsko-lonnen zu entwickeln, das auf Basis einer groen Zahl von Experimentaldaten die Pra-xistauglichkeit sicherstellt.

Experimentelle Daten sind die Basis fr jede Modellierung. Entweder stellen sie die Grundlage fr die Anpassung von Modellparametern (bei empirischen Modellanstzen) 10

oder sie dienen der Verifikation von theoretisch begrndeten Modellkorrelationen. Um diese Basis zu schaffen, mssen sowohl die von fremden Experimentatoren verffent-lichten Daten zusammengetragen und - soweit mglich - bewertet werden als auch in eigenen Versuchsreihen Medaten fr die in der Modellentwicklung wichtigen Gren (Druckverlust und Flssigkeitsinhalt) simultan bestimmt werden. Fr diese gleichzei-

1.3 Packungsformen

tige Messung mehrerer Gren ist der Einsatz geeigneter Meverfahren notwendig (Kap. 3).

Der Flssigkeitsinhalt (Holdup) ist die Schlsselgre fr die Modellierung von Druck-verlust und Trennleistung von Packungskolonnen. Eine gesicherte Korrelation, die auch die Effekte des Gasgegenstroms bercksichtigt, mu die Grundlage fr die Model-lierung von Druckverlust und Kapazitt (Durchsatz) von Packungen sein (Kap. 4).

Die Verwendung einer geeigneten Modellstruktur gewhrleistet zum einen die ber-tragbarkeit der Korrelationen auch auf neu entwickelte Packungstypen, zum anderen ermglicht sie die geschlossene Beschreibung aller Effekte der Fluiddynamik vom Druckverlust (Kap. 5) bis zur Phasengrenzflche (Kap. 6).

Die Entwicklung eines solchen tragfhigen und schlssigen Modells sowie seine Verifi-kation an einer groen experimentellen Datenbasis ist Gegenstand dieser Arbeit.11

3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchfhrung

Eine mglichst breite und verlliche Datenbasis ist die Grundlage fr eine fundierte Modellbildung. Um eine solche Datenbasis aufzubauen, mssen nicht notwendiger-weise eigene Experimente durchgefhrt werden. Jedoch zeigt sich bei der Analyse ver-fgbarer Daten aus der Literatur, von Packungsherstellern und von anderen Experimentatoren, da Widersprchlichkeiten in den Daten auftreten. Da fr eine kriti-sche Beurteilung meist keine ausreichende Dokumentation vorliegt (z.B. Informationen ber die Gte der Flssigkeitsverteilung, ber Kolonnendurchmesser oder ber die ein-gesetzte Metechnik), kann eine Bewertung des Modells nur durch eigene experimen-telle Arbeiten erfolgen. Daraus liee sich ableiten, da es nicht sinnvoll ist, auf die Daten Dritter zurckzugreifen. Aus Zeit- und Kostengrnden ist es jedoch nicht mg-lich, die Vielzahl der Parameter der Fluiddynamik (Packungstypen, Packungsgren, Stoffsysteme und Betriebsbedingungen) in eigenen Versuchen zu bestimmen. Um eine mglichst breite Datenbasis zu realisieren, wird man trotz der damit verbundenen Pro-bleme immer auf fremde Medaten zurckgreifen.

Das in dieser Arbeit durchgefhrte Versuchsprogramm wurde erst durch die kostenlose Bereitstellung von Packungen einiger Hersteller mglich. Den Firmen RAUSCHERT, SULZER, RASCHIG und NORTON sei fr ihre prompte und unbrokratische Unterstt-zung dieser Forschungsarbeit an dieser Stelle herzlich gedankt.

Dieses Kapitel beschreibt den Versuchsaufbau, die Versuchsdurchfhrung und die ein-gesetzte Metechnik. Im Mittelpunkt steht dabei die Erfassung des Flssigkeitsinhalts.12

3.1 Versuchsaufbau und Metechnik


3.1.1 Versuchsaufbau

Der im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute Versuchsstand zur Untersuchung von Flssig-keitsinhalt und Druckverlust von Packungskolonnen ist in Abb. 3.1 schematisch darge-stellt.

Abbildung 3.1: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus13


Der Versuchsaufbau besteht aus einer Kolonne K1 (Kolonneninnendurchmesser 240mm, Kolonnenmaterial: transparentes PVC), deren Sumpf X5 sich ber einen Konus auf 100mm Durchmesser verjngt. Durch diese Reduzierung lt sich die Genauigkeit der Bestimmung des Sumpfpegels deutlich erhhen (vgl. Beschreibung der Volumenbilanzmetechnik fr den Holdup in Kap. 3.1.3). Die Pegelmessung erfolgt ber eine Differenzdruckmessung.

Die Flssigkeit wird dem Sumpf ber zwei parallel schaltbare Pumpen (eine Kreisel-pumpe P1 und eine Exzenterschneckenpumpe P2 mit drehzahlregelbarem Getriebe) entnommen und ber ein Volumenstrommegert dem Flssigkeitsverteiler zugefhrt. Ein Bypa zu den Pumpen ermglicht sehr geringe effektive Frdermengen im Flssig-keitskreislauf und auch das Ablassen der Flssigkeit aus der Steigleitung. Damit sind Flssigkeitsbelastungen von 4 bis 35 m/(mh) mglich. Beim Flssigkeitsverteiler X1 handelt es sich um einen Rohrverteiler, dessen Bohrungen (Anzahl und Bohrungswin-kel ihrer Querschnittsposition angepat) eine gleichmige Flssigkeitsaufgabe und einen relativ groen Arbeitsbereich ermglichen. Entlftungsbohrungen in jedem Ver-teilerrohr stellen sicher, da sich keine Luftblasen sammeln knnen. Zur Brechung des Austrittsimpulses der Flssigkeit und zur nochmaligen Verbesserung der Flssigkeits-verteilung befindet sich unterhalb des Verteilers ein Packungselement X2 (Mellapak 250Y, Metall, Segmenthhe 100mm).

Das Gas (Umgebungsluft) wird von einem Drehkolbengeblse V1, dessen Drehzahl ber einen Freuquenzumrichter regelbar ist, ber einen Filter angesaugt und unterhalb des Auflagerostes der Packung ber einen Gasverteiler (nach unten geffnetes waage-rechtes Rohr) in die Kolonne eingebracht. Die mit Wasserdampf gesttigte Luft tritt am Kopf der Kolonne durch ein dem Tropfenrckhalt dienendes Flies aus. Die maximale Gasbelastung wird mit einem F-Faktor von erreicht.

Die zu untersuchende Packung (Packungshhe 1200mm) kann durch Demontage des Kolonnenkopfes in die Kolonne eingebracht werden. Sie liegt auf einem eingeflansch-ten Tragrost aus Streckmetall auf. Dieses Tragrost besitzt gengend Steifigkeit, um auch hohe Auflagegewichte (keramische Fllkrper) tragen zu knnen, auerdem ist der freie Querschnitt gro genug, um auch bei Einsatz von geordneten Packungen kei-nen Engpa darzustellen. Die Differenzdruckmessung der Packung erfolgt zwischen zwei Stutzen innerhalb des Packungsabschnittes der Kolonne mit Abstand 1000mm.

Auf Hhe des Auflagesrosts knnen durch eine Sichtffnung die Strmungszustnde und das Betriebsverhalten der Kolonne beobachtet werden.

4,5Pa0,514


Die Metechnik X4 (Schalenelektroden und Schirmelektrode) zur Bestimmung der Kapazitt des eingeschlossenen Kolonnensegmentes ist in Kap. 3.1.3 ausfhrlich beschrieben.

3.1.2 Allgemeine Metechnik

Fr die Aufnahme der Differenzdrcke (Kolonnensumpf und Druckverlust der Pak-kung) kommen kalibrierbare Druckmeumformer der Firma Rosemount zum Einsatz. Aufgrund der Geometrie der zufhrenden Druckschluche knnen Kondensatprobleme ausgeschlossen werden. Durch eine regelmige Kontrolle der Drift der Umformer wird eine gleichbleibend hohe Megenauigkeit gewhrleistet.

Zur Bestimmung des Flssigkeitsstroms dient ein nach dem Schwebekrperprinzip arbeitendes Megert der Firma Rota-Yokogawa. Durch regelmige Suberung des Schwebkrpers und Kontrolle der angezeigten Volumenstrme wird die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sichergestellt.

Der Gasvolumenstrom wird nicht direkt gemessen, sondern indirekt ber die Wellen-drehzahl des Drehkolbengeblses bestimmt. Um den groen Mebereich der Gasvolu-menstrme zu realisieren, bietet sich diese Lsung an, da ein Drehkolbengeblse nach dem gleichen Prinzip wie ein Drehkolbenzhler arbeitet. Als Zwangsfrderer wird pro Wellenumdrehung ein definiertes Gasvolumen bewegt. Da fr die in der Anlage auftre-tenden Gegendrcke ein signifikanter Schlupf ausgeschlossen werden kann (hierzu wurde vom Lieferanten des Geblses vor Auslieferung auf einem Prfstand fr unter-schiedliche Gegendrcke der Schlupf bestimmt), besteht die Mglichkeit aus der Wel-lendrehzahl ber eine lineare Korrelation auf den Gasvolumenstrom zurckzu-schlieen.

Die Temperatur der Flssigkeit wird im Kolonnensumpf, die des Gases oberhalb des Flssigkeitsverteilers und in der Nhe des Gaseintritts gemessen. Hierbei kommen Widerstandsthermometer (Pt100, Klasse A) zum Einsatz.

Alle Medaten werden in einer Signalkonditionierung (Entkopplung und Signalaufbe-reitung) zusammengefhrt, an einen Personal Computer weitergeleitet, dort gewandelt (Analog-Digital-Wandlung), visualisiert und gespeichert. Dieser Rechner bernimmt auch die Anlagensteuerung. ber Digital-Analog-Wandler werden Steuerimpulse fr die Schaltrelais der Pumpen, des Frequenzumrichters und des Geblses geliefert. Die im Rahmen dieser Arbeit erstellte Steuersoftware der Anlage ist in der Lage, ein vor-eingestelltes Versuchsprogramm ohne Aufsicht durch den Experimentator auszufhren. 15

Diverse Sicherheitsschaltungen und permanente berwachungsschaltungen ermgli-


chen es so, die sehr zeitaufwendigen Messungen (vgl. Kap. 3.2) auch ber Nacht durch-zufhren.

3.1.3 Holdup-Meverfahren

In der Literatur findet man eine Vielzahl unterschiedlicher Meverfahren fr den Fls-sigkeitsinhalt. Man kann die Meverfahren generell nach der erfaten physikalischen Gre einteilen. Volumetrische Verfahren erfassen das in der Packung befindliche Fls-sigkeitsvolumen durch Auffangen der Flssigkeit nach dem Absperren des Zuflusses (sog. Schnellschlumethode) oder durch Messung der Volumenabnahme in einem Aus-gleichsbehlter (sog. Volumenbilanzmethode). Das gravimetrische Meverfahren erfat die Massennderung der Packung bei Berieselung und kann ber die Flssig-keitsdichte einfach auf das Flssigkeitsvolumen zurckschlieen. Radiometrische Mes-sungen bedienen sich der auf die Flssigkeit zurckgehenden Schwchung eines Gammastrahls. Das im Rahmen dieser Arbeit eingesetzte Kapazittsmeverfahrenbedient sich der Vernderung der Kapazitt eines Kolonnenabschnitts (ausgefhrt als Schalenkondensator durch Anlegen von Elektroden an die Kolonne) bei Anwesenheit von Flssigkeit im Kondensatorvolumen.

Die Meverfahren unterscheiden sich hinsichtlich des erfaten Mevolumens (volume-trische und gravimetrische Messungen erfassen normalerweise die gesamte Packung, whrend die kapazitive Messung nur einen Teil und die radiometrische nur eine Strah-lengang durch die Packung erfassen kann) und der Notwendigkeit der Kalibration (volumetrische und gravimetrische Verfahren messen die Gre Holdup direkt, wh-rend die anderen Meverfahren ber eine Kalibration von der Megre auf die Ziel-gre schlieen mssen).

Jedes Meverfahren besitzt spezifische Vor- und auch Nachteile. Kriterien wie appara-tiver Aufwand, Sicherheitstechnik, online-Fhigkeit und Genauigkeit sprechen jeweils fr bzw. gegen ein Meverfahren.

Mit den fr die Versuchsanlage ausgewhlten zwei Meverfahren Volumenbilanz und Kapazittsnderung stehen zwei online-fhige Verfahren zur Verfgung, die auf der Erfassung unterschiedlicher physikalischer Daten der Flssigkeit beruhen und unter-schiedliche Mevolumina bercksichtigen. Die Kalibration des Kapazittsmeverfah-rens kann ber die Volumenbilanzmessung erfolgen.

Die beiden eingesetzten Meverfahren sind in den beiden folgenden Abschnitten detail-liert beschrieben.16


Holdupmeverfahren Volumenbilanz

Die Volumenbilanzmethode zur Bestimmung des Flssigkeitsinhalts in Packungen setzt die Kenntnis des in der Anlage befindlichen Flssigkeitsvolumens und der Volumina der Peripherie (Leitungen, Pumpen, Flssigkeitsverteiler) voraus. Damit kann aus der Messung der Abnahme des Flssigkeitsvolumens in einem Ausgleichsbehlter (hier der Kolonnensumpf) auf das Flssigkeitsvolumen in der Packung geschlossen werden.

Die unterschiedlichen Peripherievolumina der Versuchsanalge sind in Abb. 3.2 schema-tisch dargestellt.

Ohne Flssigkeitsberieselung kann das Gesamtflssigkeitsvolumen der Anlage einfach bestimmt werden (Gleichung (3.1)), da sich die Flssigkeit nur im Sumpf der Kolonne und in der tiefer liegenden Peripherie befindet.

(3.1)

Abbildung 3.2: Schematische Darstellung der Teilvolumina der Versuchsanlage

V

V

V

V

V

FlssigkeitsverteilerPackungselement

Packung

Kolonnensumpf

Steigleitung

PumpenLeitungenVolumenstrommessung

Verteiler

Packung

Sumpf

Pumpen

Leitungen

VGesamt

VGesamt VSumpf VPumpen+=17


Im Betrieb kann unter Bercksichtigung der dann zustzlich gefllten Bereiche der Peripherie das Flssigkeitsvolumen in der Packung ber eine einfache Bilanz errechnet werden (Gleichung (3.2)).

(3.2)

Die Ermittlung der Teilvolumina der verschiedenen Anlagenteile kann dabei einfach durch Auslitern erfolgen.

Durch die Wahl des Kolonnensumpfs als Ausgleichsbehlter ergibt sich das Problem, da mit Absinken des Pegels die Strecke der fallenden Tropfen lnger wird. Da die Flssigkeit erst ber die Sumpfpegelmessung detektiert wird, stellt dieses Tropfenvolu-men einen potentiellen Fehler dar. Um das Volumen im Kolonnensumpf mglichst exakt zu messen, wurde deshalb in einer Anlagenkalibration diese Fllstandsabhngig-keit aufgenommen, ber eine Ausgleichsfunktion beschrieben und in den Auswertun-gen bercksichtigt.

Das Flssigkeitsvolumen, das sich nach Austritt aus dem Flssigkeitsverteiler in der Luft und in dem unterhalb des Verteilers angeordneten Packungselement befindet, ist offensichtlich abhngig von der Flssigkeitsbelastung, d.h. vom gefrderten Flssig-keitsvolumenstrom. Um diese Abhngigkeit in den Auswertungen bercksichtigen zu knnen, wurde ebenfalls in einer Kalibration diese Abhngigkeit aufgezeichnet. Dazu wurde der gesamte Packungsschu ausgebaut und der Flssigkeitsverteiler und das (zur Flssigkeitsverteilung gehrende) Packungselement direkt auf den Auflagerost aufge-setzt. In Abhngigkeit der eingestellten Flssigkeitsvolumenstrme konnte nun die Ver-nderung des Sumpfpegels aufgenommen werden. Fr unterschiedliche Flssigkeitsgesamtvolumina konnte dann auch die oben erwhnte Abhngigkeit des Sumpfvolumens vom Sumpfpegel ermittelt werden.

Das Meverfahren basiert auf der Kenntnis der Teilvolumina der Anlage. Treten Verlu-ste des Flssigkeitsgesamtvolumens auf, so werden diese ber die Gleichung (3.2) dem gesuchten Flssigkeitsinhalt der Packung zugeschlagen. Deshalb mu darauf geachtet werden, da keinerlei Leckagen an der Anlage auftreten und jede Volumennderung whrend eines Versuchs (z.B. durch Nachfllen von Flssigkeit) in der Bilanz berck-sichtigt wird. Einen schwer kontrollierbaren Volumendefekt stellt der Austrag von Fls-sigkeit ber den Gasvolumenstrom dar. Hier wird Flssigkeit in Form von Trpfchen oder Wasserdampf dem Bilanzvolumen entzogen. Die Mglichkeiten, diese Mengen zu quantifizieren, ist in Kap. 3.2 beschrieben.

Ein charakteristisches Ergebnis der Volumenbilanzmessung ist in Abb. 3.3 dargestellt.Hierbei ist die Megre Sumpfdruck ber der Gasbelastung fr unterschiedliche Fls-

VGesamt VSumpf VPumpen VLeitungen VVerteiler VPackung+ + + +=18


sigkeitsbelastungen aufgetragen. ber die oben beschriebenen Korrekturen erfolgt dann in der Medatenerfassungsanlage die Umrechnung in die gesuchte Megre Flssigkeitsinhalt. Das Ergebnis ist in Abb. 3.4 dargestellt.

In jeder Mereihe wird am Anfang und zum Ende die gleiche Flssigkeitsbelastung eingestellt. Damit ist eine Kontrolle der Zuverlssigkeit der Versuchsreihe ber die Korrekturmechanismen mglich. Mit dieser Kontrolle lassen sich beispielsweise Fls-sigkeitsverluste ber Leckagen sehr schnell und einfach detektieren.

In den Versuchsergebnissen der Abb. 3.3 sieht man, da in der direkten Erfassung des Sumpfpegels eine signifikante Abweichung zwischen den beiden Versuchsreihen glei-cher Flssigkeitsbelastung (Dreiecksymbole in Abb. 3.3) aufgrund des Austrags besteht. Nach Bercksichtigung dieser Volumendefekte in der Berechnung des Holdup sind die Ergebnisse stimmig (Abb. 3.4).

Abbildung 3.3: Experimentelle Ergebnisse fr Fllkrper Hiflow (25mm, PP). Die Legende gibt die Reihenfolge der verschiedenen Flssigkeits-belastungen im Versuch wieder. Megre: Sumpfdruck.

Gasbelastung F-Faktor

mbar

Sum

pfdr

uck

0.1 110

100

Pa0.5

B= 9 m/(mh)B= 16 m/B= 30 m/B= 6 m/B= 16 m/B= 26 m/

(mh)(mh)

(mh)(mh)

(mh)19


Holdupmeverfahren Kapazittsmetechnik

Um den Flssigkeitsinhalt zu messen, kann man auch auf auergewhnliche me-technisch zugngliche physikalische Gren der Flssigkeit zurckgreifen. Eine solche Gre stellt die Permittivitt dar. Sie beschreibt das dielektrische Verhalten eines Stof-fes im elektrischen Feld und ist ber die Messung der Kapazitt zugnglich. Auch lei-tende Materialien (wie Flssigkeiten und Metalle) haben eine solche charakteristische Dielektrizittszahl, wobei zum Eliminieren von Ausgleichsvorgngen und Polarisati-onseffekten hochfrequente Wechselfelder fr die Vermessung verwendet werden ms-sen. Das dielektrische Verhalten eines Stoffes ist primr abhngig von natrlichen Dipolmomenten der Molekle. Wasser verfgt aufgrund seines hohen Dipolmoments ber eine hohe Permittivitt und bietet damit gute Voraussetzungen im Mevolumen auch bei kleinen Volumenanteilen ein verwertbares Mesignal zu liefern.

Durch groe Unterschiede in der Permittivitt von Gas und Flssigkeit besteht die Mglichkeit der Quantifizierung der Volumenanteile der Phasen innerhalb eines Kon-densators.

Abbildung 3.4: Experimentelle Ergebnisse (nach Auswertung und Bercksichti-gung der Korrekturen) fr Fllkrper Hiflow (25mm, PP). Die Legende gibt die Reihenfolge der verschiedenen Flssigkeitsbela-stungen im Versuch wieder.

Gasbelastung F-Faktor0.1 1.0

0.1

0.05

m/m

Fls

sgig

keits

inha

lth

Pa0.5

B= 9 m/(mh)B= 16 m/B= 30 m/B= 6 m/B= 16 m/B= 26 m/

(mh)(mh)

(mh)(mh)

(mh)ge

s20


Mehrere Forschungsarbeiten (TURNER 1976, KLUG 1993) beschftigten sich mit der Anwendung dieser Memethode auf die Bestimmung des Strmungszustands bei Mehrphasenstrmungen (z.B. Dampfgehaltsmessungen in lpipelines).

Die Permittivitt eines Stoffes ist von der Temperatur abhngig. Diverse Tabellenwerke (z.B. VON HIPPEL 1954, LANDOLT-BRNSTEIN 1960, SPICKERMANN 1978) geben hier in grafischer oder funktionaler Form diese Abhngigkeiten an. In einer genormten Probenapparatur (DIN 53483, Blatt 2) knnen Feststoffe vermessen werden. Fr die Bestimmung der Permittivitt von Flssigkeiten bieten Hersteller spezielle Mezellen an (z.B. Liquid Test Fixture HP16452A der Firma HEWLETT PACKARD).

Das Prinzip der Kapazittsmetechnik lt sich am Beispiel des Plattenkondensators einfach erklren (vgl. Abb. 3.5). Befinden sich keine Materialien zwischen den Platten

des Kondensators, so ist die Kapazitt nur abhngig von der Geometrie des Kondensa-tors (Abstand und Flche der Platten). Sind im eingeschlossenen Volumen unter-schiedliche Materialien enthalten, so ist entscheidend, wie diese angeordnet sind. Fr

Abbildung 3.5: Berechnung der Kapazitt von Kondensatoren mit verschiedenen Dielektrika

0 C 0As---=

0

1C 0

A0s----- 1

A1s-----+=

01

C 1s00 A-------------

s11 A-------------+

--------------------------------=

0

1C f 0 1,( ) As---=

0

2

1C f 0 1 2, ,( ) As---=

s A21

den einfachen Fall einer horizontalen Teilung ergibt sich das Ersatzschaltbild einer


Parallelschaltung und damit die Addition zweier Teilkondensatoren. Bei vertikaler Tei-lung entspricht das Ersatzschaltbild einer Hintereinanderschaltung, die sich ber die reziproke Summe der Einzelkapazitten ausdrcken lt. Whrend sich diese beiden Flle analytisch beschreiben lassen, findet man in der Literatur fr die Beschreibung von zwei homogen verteilten Phasen nur Nherungslsungen fr verschiedene Randbe-dingungen (MAXWELL 1892, BRUGGEMANN 1935, VAN BEEK 1967). Im Fall der Packungskolonne mssen - fr eine rechnerisch exakte Lsung - das Verhalten von drei unterschiedlichen Medien (Gas/Dampf, Flssigkeit und Packungsmaterial) im Konden-sator beschrieben werden. Hierzu existieren in der Literatur praktisch keine Anstze. Der von RAMU UND RAO 1973 verffentlichte Ansatz ist fr die in einer Packungsko-lonne vorliegenden Volumenanteile der Medien nicht bertragbar. Deshalb bleibt der-zeit nur eine Korrelation der gemessenen Kapazittswerte ber die in einem anderen Meverfahren gewonnen Holdupwerte.

Abb. 3.6 zeigt die Anordnung der Elektroden im Kolonnenquerschnitt, die vertikale Lage der Meapparatur in der Versuchsanlage ist in Abb. 3.1 angedeutet. Die zwei

Schalenelektroden sind auf den Kolonnenmantel auen aufgebracht und schlieen ein zylindrisches Kolonnenvolumen ein. Um Strfelder abzuschirmen, sind die Elektroden von einer geerdeten Schirmelektrode (auch Guard genannt) umgeben. Die Berech-nung eines einfachen Schalenkondensators kann mit Gleichung (3.3) erfolgen, wobei

Abbildung 3.6: Anordnung der Me- und Schirmelektroden im Querschnitt

Schirmelektrode

Kapazitts-megert

Schalenelektroden22


der enthaltene Winkel den Umschlieungswinkel einer Kondensatorplatte angibt (siehe dazu auch Abb. 3.6) und die Variable die Hhe der Kondensatorplatten.

(3.3)

Die auen angelegten Meelektroden haben gegenber innen angebrachten den Vorteil, da keinerlei Korrosionsprobleme auftreten. Jedoch mu fr die Versuchsauswertung der Einflu des Kolonnenmantels bercksichtigt werden. Ebenfalls zu bercksichtigen ist ein parasitrer Anteil der Schalenelektroden, der sich aus der Anordnung der Elek-troden und sich ausbildenden Streufeldern ergibt. Abb. 3.7 zeigt diese Problematik am Verlauf von Feldlinien. Die sich aus diesen Effekten ergebende Ersatzschaltung ist in

Abb. 3.8 dargestellt. Um auf das Mevolumen zurckschlieen zu knnen, ist die Bestimmung der dargestellten Kapazitten notwendig. Da die Geometrie und die Per-mittivitt des Kolonnenmantels zugnglich sind, ist die Bestimmung der Kolonnen-wandkapazitt und der parasitren Kapazitt ber die Vermessung von definierten Medien in der Kolonne mglich. Hierbei bietet es sich an, die leere Kolonne sowie die mit Wasser gefllte Kolonne zu vermessen.

Wie breits erwhnt, mssen zur Messung von leitenden Materialien und Medien hoch-frequent arbeitende Megerte zum Einsatz kommen. In dieser Arbeit steht mit dem LCR-Meter (HP4285A) der Firma HEWLETT PACKARD ein Gert zur Verfgung, das

Abbildung 3.7: Verlauf von Feldlinien im Kondensatorquerschnitt

H

C 0 H2---

4---+

tanln =

Schirmelektrode

Schalenelektroden23


mit 75 kHz bis 30 MHz ber einen weiten Frequenzbereich verfgt, diverse Korrektur-mechanismen (z.B. Elimination von parasitren Leitungskapazitten) und Programm-steuerungen besitzt sowie ber ein Bussystem vom Anlagensteuercomputer gut anzusprechen ist.

In Abb. 3.9 sind die Ergebnisse der Kapazittsmessung einer berieselten Fllkrper-schttung wiedergegeben. Bei dem vermessenen Fllkrper handelt es sich um das gleiche Experiment, wie es auch in Abb. 3.4 fr die Volumenbilanzmetechnik darge-stellt ist.

Man erkennt, da die Mereihen der gleichen Flssigkeitsbelastung bei diesem Me-verfahren das gleiche Mesignal liefern - das Problem des Austrags ist fr die Kapazi-ttsmetechnik irrelevant. ber die Kalibration (wie in Abb. 3.10 dargestellt) kann auf den Flssigkeitsinhalt geschlossen werden.

In der dargestellten Kalibrationskurve fllt auf, da es bei Erhhung der Gasbelastung bei konstanter Flssigkeitsbelastung zu Abweichungen von der eingezeichneten Kurve kommt. Dies tritt bei der Annherung an den Flutpunkt der Packung auf und ergibt sich aus den unterschiedlichen Mevolumina der beiden Meverfahren. Whrend die Volu-menbilanzmethode die gesamte Kolonne erfat, wird in der Kapazittsmethode nur das von den Schalenelektroden eingeschlossene Segment gemessen. Bei Annherung an den Flutpunkt kommt es zu lokalen Anreicherungen von Flssigkeit oberhalb des Auf-lagerosts, was von der Volumenbilanzmethode als Anstieg des Gesamtholdup detektiert wird. Da die Meelektroden jedoch diesen Bereich nicht erfassen, kommt es zu den

Abbildung 3.8: Ersatzschaltbild fr Kapazittsmetechnik

Kolonnenmantel

Parasitre Anteile

Kolonnenmantel Mevolumen24

Abweichungen in der Kalibrationskurve.


Wie aus der Vorstellung des Prinzips des Kapazittsmeverfahrens (vgl. Abb. 3.5) her-vorgeht, ist es fr das Mesignal entscheidend, wie ein Medium im Mevolumen ange-ordnet ist. In den in Abb. 3.5 dargestellten ersten beiden Fllen besteht das Dielektrikum jeweils aus dem gleichen Volumen der beiden Medien, jedoch ist die resultierende Kapazitt gnzlich verschieden. Alle Anstze zur Berechnung von dispers im Kondensatorvolumen verteilten Medien gehen von einer Gleichverteilung aus. In der Versuchsanlage dieser Arbeit konnte durch die przise Flssigkeits- und auch Gas-verteilung die fr das Meverfahren notwendige Gleichverteilung im Mevolumen sichergestellt werden.

Metechnisch kann eine Ungleichverteilung von Flssigkeit im Mevolumen ber Seg-mentelektroden und eine geeignete wechselweise durchgefhrte Verschaltung dieser Elektroden detektiert werden. Diese Segmentelektrodenverfahren kommen auch in der Strmungszustandsbestimmung von Fluiden in Rohrleitungen zum Einsatz. Mit einer solchen Erweiterung der metechnischen Mglichkeiten knnen dann auch Maldistri-butionseffekte beschrieben werden.

Abbildung 3.9: Experimentelle Ergebnisse fr Fllkrper Hiflow (25mm, PP). Die Legende gibt die Reihenfolge der verschiedenen Flssigkeits-belastungen im Versuch wieder. Megre: Kapazitt 10 MHz

0.1 1.0Gasbelastung F-Faktor

Kapa

zitt

(10M

Hz)

100

200

300

400

pF

Pa0.5

600

B= 9 m/(mh)B= 16 m/B= 30 m/B= 6 m/B= 16 m/B= 26 m/

(mh)(mh)

(mh)(mh)

(mh)25


3.1.4 Megenauigkeit

Die Genauigkeit der Meverfahren ist fr die Bestimmung der interessierenden Me-gren entscheidend.

Der verwendete Druckmeumformer fr die Aufnahme des Sumpfpegels besitzt eine Megenauigkeit von 0.1% des maximalen Mebereichs (200mbar). Diese hohe Mege-nauigkeit - zusammen mit der Reduizierung des Sumpfdurchmessers - erlaubt bei stil-lem Flssigkeitspegel eine Megenauigkeit des Flssigkeitsinhalts von

. Durch die fallenden Tropfen und den bewegten Flssigkeitspegel verschlechtert sich die Genauigkeit. Durch die Kalibration (Bercksichtigung der fal-lenden Tropfen) und der Mittelung ber mehrere Sumpfpegelmessungen erreicht die Volumenbilanzmetechnik eine Genauigkeit von . Dies zeigt sich auch in der guten Reproduzierbarkeit der Mewerte bei Wiederholungsmessungen.

Die Kapazittsmessung des Flssigkeitsinhalts besitzt aufgrund des eingesetzten Przi-sionsmeinstrument eine hohe Genauigkeit (siehe HEWLETT PACKARD 1996). Die Ungenauigkeit der Gre Flssigkeitsinhalt liegt nicht auf der Seite der Megre, son-

Abbildung 3.10:Kalibrationskurve fr die Bestimmung des Flssigkeitsinhalts aus der Megre Kapazitt (Kunststoff-Fllkrper Hiflow 25mm)

Kapa

zitt

C(10

MH

z)

Holdup h

100

200

300

400

pF

m/m

600

0.10.080.06

B= 9 m/m/hB= 16 m/m/hB= 30 m/m/hB= 6 m/m/hB= 16 m/m/hB= 26 m/m/h

3,2 410 m3 m3

1,0 310 m3 m326

dern auf der in der Auswertung getroffenen Annahmen (Gleichverteilung der Flssig-

3.2 Versuchsdurchfhrung

keit im Mevolumen, vgl. Kap. 3.1.3). Die erreichte Megenauigkeit ist damit von der apparativen Ausfhrung der Kolonne abhngig; im verwendeten Versuchsaufbau erreicht das Meverfahren eine der Volumenbilanzmetechnik vergleichbare Genauig-keit.


Mit der Festlegung auf bestimmte Memethoden nimmt man auch die spezifischen Nachteile bzw. Problemfelder dieser Verfahren in Kauf. Diese einzugrenzen bzw. zu minimieren mu die Aufgabe des Experimentators sein und kann durch die Wahl bestimmter apparativer Varianten oder auch durch eine geeignete Versuchsdurchfh-rung geschehen.

Die auftretenden Probleme bei der Kapazittsmemethode knnen durch apparative Verbesserungen (z.B. Schirmelektrode zur Abschirmung von Strfeldern) gelst wer-den. Die Problematik des Austrags bei der Volumenbilanzmetechnik mu durch eine spezielle Versuchsdurchfhrung quantifiziert werden.

Der zunchst verfolgte Weg, den Flssigkeitsaustrag ber eine apparative Modifikation (geschlossener Gaskreis) zu verhindern, erwies sich als nicht praktikabel, da es zu Anreicherungen von Flssigkeitstrpfchen im Geblse und Problemen durch Schmier-mittelaustrag kam. So mute der Austrag von Flssigkeit in Form von Wasserdampf und Trpfchen zugelassen werden. Durch Festlegung eines geeigneten Meablaufs wurde dieser quantifiziert und in der Auswertung bercksichtigt. Der entwickelte Ver-suchsablauf ist in Abb. 3.11 als Fludiagramm dargestellt.

Zu Beginn eines Versuchs wird das Flssigkeitsvolumen im Sumpf der Kolonne auf ein definiertes Gesamtvolumen ergnzt. Hiermit liegt das Basisvolumen des Versuchs fest. Jeder nachtrgliche manuelle Eingriff (Nachfllen, Ablassen von Flssigkeit) mu in der Bilanz entsprechend bercksichtigt werden.

Am Anfang jedes Versuchs steht die Bestimmung des Haftflssigkeitsinhalts. Hierzu wird die Packung zunchst mit einer Flssigkeitsbelastung (ca. 20 m/(mh)) fr 20 Minuten berieselt. Der Wert fr diese Vorlaufzeit wurde aus Vorversuchen gewonnen, in denen fr verschiedene Packungen der Verlauf des Flssigkeitinhalts ber der Zeit aufgezeichnet wurde. Praktisch fr alle Packungen gilt, da nach einer Berieselungs-dauer von 15 Minuten keine signifikanten nderungen im Flssigkeitsinhalt zu beob-achten sind. Abb. 3.12 zeigt den Verlauf des Flssigkeitsinhalts fr einen solchen Vorversuch. Diese gemessenen Vorlaufzeiten gelten allerdings nur fr Packungen, die 27


Abbildung 3.11:Ablaufdiagramm fr Versuchsdurchfhrung

Flssigkeit im Kolonnensumpf ergnzen,bis definiertes Volumen erreicht ist.

Start

Berieselung starten. Nach definierter EinlaufzeitBerieselung stoppen und Abtropfzeit abwarten.

Haftflssigkeitswert aus Volumenabnahme im Sumpf bestimmen

Flssigkeitsvolumenstrom einstellen. Packungdefinierte Einrieselzeit lang mit Flssigkeit beaufschlagen.

Flssigkeitsinhalt h ber Sumpfvolumen messen.ref

Gasvolumenstrom einstellen.Definierte Einschwingzeit abwarten.

Erreicht Sumpf stationren Pegel?

Druckverlustmessung und Sumpfpegelmessungdurch Mittelung ber Mehrfachmessungen durchfhren.

Gasvolumenstrom abschalten. Nach definierter Zeit densich ergebenden Sumpfpegelwert messen und

Referenzwert h als Austrag bercksichtigen.refVolumendifferenz

zu

Weiterer Gasvolumenstromwertin Meprogramm vorgesehen?

Weiterer Flssigkeitsvolumenstromwertin Meprogramm vorgesehen?

Ende

Nein

Nein

Ja

Ja

Nein

Ja28


bereits in Versuchen eingesetzt wurden und nicht fabrikneu sind. Neue Metall- und Kunststoffpackungen mssen zunchst entfettet werden. Sie wurden im Rahmen dieser Arbeit vor den Experimenten einige Tage in der Versuchskolonne berieselt, wobei die verwendete Flssigkeit stndig erneuert wurde.

Nach Abschalten der Berieselung und einer definierten Abtropfzeit von 20 Minuten (Ermittlung dieser Zeit analog zu obigem Vorgehen bei der Bestimmung der Vorlauf-zeit) wird eine Sumpfpegelmessung durchgefhrt, und aus dieser Abnahme kann der Haftflssigkeitsinhalt bestimmt werden.

Nach der Bestimmung des Haftflssigkeitsinhalts folgt die Vermessung der verschiede-nen Flssigkeitsbelastungen bei Gasgegenstrom. Zunchst wird der erste Flssigkeits-strom aus der Liste der zu untersuchenden Flssigkeitsbelastungen eingestellt. Nach der Vorlaufzeit (wie auch schon bei der Bestimmung des Haftflssigkeitsinhalts 20 Minuten) wird bei laufender Flssigkeitsaufgabe der Pegel des Sumpfs bestimmt. Da diese Ermittlung aufgrund der stndig auftreffenden Tropfen (unruhiger Pegel) nicht mit einer einzigen Messung zu bewerkstelligen ist, wird hier der Mittelwert aus 20 in Sekundentakt ausgelsten Messungen verwendet. Der so ermittelte Sumpfpegel dient

Abbildung 3.12:Vorversuch zur Bestimmung der Vorlaufzeit zur Bestimmung des Flssigkeitsinhalts

0 100 200 300 400 500 600 s 8000.05

0.06

0.07

Versuchsdauer

m/m

Ges

amtfl

ssig

keits

inha

lth g

es29

im weiteren Versuchsablauf als Referenzwert fr die Quantifizierung des Austrags.


Nachdem die Kolonne ohne Gasgegenstrom einen stationren Zustand erreicht hat, kann durch Zuschaltung des Gasgegenstroms (erster Wert aus der Liste des Mepro-gramms) der Einflu des Gasstroms auf den Flssigkeitsinhalt untersucht werden. Stellt sich innerhalb einer definierten Wartezeit (2 Minuten) ein stationrer Zustand (Sumpf-pegel konstant) ein, so erfolgt die Differenzdruckmessung ber die Packung, die Sumpfpegelmessung fr die Bestimmung des Flssigkeitinhalts (jeweils integriert ber 20 Mewerte) und die Kapazittsmessung des Kolonnensegmentes. Erreicht der Sumpf (und damit die Packung) hingegen keinen stationren Zustand, so hat man die Flut-grenze der Packung bereits erreicht. Das Meprogramm fr diese Flssigkeitsbelastung wird dann abgebrochen und mit der nchsten Flssigkeitsbelastung im Meprogramm fortgefahren.

Nach Abschlu der Druckverlust-, Sumpfpegel- und Kapazittsmessung wird der Gas-gegenstrom abgeschaltet und nach einer Beruhigungszeit (10 Minuten) bei nicht vern-derter Flssigkeitsbelastung der Pegel des Sumpfs (wiederum ber die Mittelung von 20 Medaten) ermittelt. Aufgrund des Austrags whrend des Gasgegenstroms liegt der nun ermittelte Wert fr den Sumpfpegel unter dem des am Anfang des Versuchs bestimmten Referenzwerts. Diese Abweichung wird als Volumendefekt in der Bilanz bercksichtigt.

Ist ein weiterer Gasvolumenstromwert im Versuchsprogramm vorgesehen, so wieder-holt sich die Prozedur mit diesem neuen Volumenstrom. Nach Durchlaufen aller Gasvo-lumenstromwerte (bzw. beim Fluten der Packung) wird die nchste Flssigkeits-belastung untersucht, und das Vorgehen wiederholt sich.

Aus der Summe der Wartezeiten innerhalb einer Versuchsreihe lt sich bereits der groe Zeitaufwand fr das vollstndige Vermessen einer Packung ablesen. Hinzu kom-men die notwendigen Trocknungszeiten von Packungen nach dem Versuch (ca. 4 Stun-den) und bei keramischen Packungen noch die Trocknungszeiten vor Versuchsbeginn (keramische Packungen werden in die Kolonne na eingefllt, d.h. die Fllkrper wer-den in die mit Flssigkeit gefllte Kolonne geschttet, um die Gefahr des Bruchs der Fllkrper zu minimieren). Durch die Automatisierung des Versuchsablaufs konnten die Versuchsreihen mit hoher Reproduktiongenauigkeit und auch ohne stndige ber-wachung durch eine Aufsichtsperson durchgefhrt werden. Dies ermglichte die Durchfhrung mehrerer Versuche (Kontrollmessungen) fr jede Packung.30

3.3 Versuchsprogramm

3.3 Versuchsprogramm

Durch die Wahl der online-fhigen Metechnik konnten in den eigenen Versuchen Druckverlust und Flssigkeitsinhalt simultan gemessen werden. Da in der Modellie-rung von Holdup und Druckverlust solche Datenstze fr eine Anpassung notwendig sind, gleichzeitig jedoch in der Literatur praktisch keine solchen Daten verfgbar sind, bilden diese Messungen die Basis fr diesen Teil der Modellierung.

Die Tab. 3.1 gibt eine Zusammenfassung der untersuchten Packungen. Keiner der ver-messenen Fllkrper hat einen Nenndurchmesser von mehr als 25mm, da aufgrund des Kolonnendurchmessers von 240mm grere Fllkrper technisch nicht sinnvoll einge-setzt werden knnen. In der Praxis geht man als Faustregel von einem Verhltnis von Fllkrpernenndurchmesser zu Kolonneninnendurchmesser von 1:10 als untere Grenze aus. Die Flssigkeitsbelastung wird durch die Bauart des Flssigkeitsverteilers und die Frderleistung der eingesetzten Pumpen limitiert. Zum Einsatz kam nur das Stoffsy-

Tabelle 3.1:Vermessene Packungen

Nr. Packung Nenngre Material Hersteller

1 Raschigring 10mm Keramik jeder

2 15mm

3 20mm

4 25mm

5 Berlsattel 8mm

6 Torussattel 25mm Polypropylen

7 Rafluxring 15mm RAUSCHERT8 25mm

9 Hiflowring 25mm

10 Pallring 25mm jeder

11 Hackette 25mm VFF12 VSP-Ring 25mm

13 Mellapak 250.Y SULZER14 Hiflowring 25mm Edelstahl RAUSCHERT15 Rafluxring 25mm

16 Super-Ring No. 1 RASCHIG17 IMTP-Ring 25mm NORTON18 Mellapak 250.Y SULZER31


stem Luft/Wasser, da organische Flssigkeiten den Kolonnenwerkstoff (transparentes PVC) und Leitungen angreifen.

Die Ergebnisse der Versuche flieen in die Datenbasis fr die Modellierung des Fls-sigkeitsinhalts (vgl. Kap. 4.2.1) und des Druckverlusts (vgl. Kap. 5.1) ein. Gleichzeitig bilden die eigenen Versuche die Grundlage fr die Anpassung der Konstanten fr den Gegenstromeinflu des Flssigkeitsinhalts oberhalb der Staugrenze (vgl. Kap. 4.2.4).

3.4 Zusammenfassung

Die beiden eingesetzten Meverfahren bieten die Mglichkeit online, die Megre Flssigkeitsinhalt zu liefern. Aufgrund ihres geringen Aufwands an Metechnik bietet sich das Volumenbilanzverfahren fr Versuchsanlagen an. Um den relativ groen Auf-wand an Korrekturmechanismen zu umgehen, empfiehlt es sich, einen zustzlichen Ausgleichsbehlter zu installieren und den Pegel des Kolonnensumpfs konstant zu hal-ten. Ein socher externer Ausgleichsbehlter bietet auch die Mglichkeit, statt der Diffe-renzdruckmessung des Sumpfs eine Waage einzusetzen.

Die Kapazittsmetechnik erffnet neue Mglichkeiten bei der Untersuchung im Betrieb befindlicher Kolonnen. Da bei der Berechnung der Kapazitt eines Schalenkon-densators nur der Umschlieungswinkel und die Hhe der Kondensatorplatten eingeht, kann die an der Technikumsanlage eingesetzte Metechnik auf andere Kolonnengeo-metrien einfach bertragen werden. Dem Problem der Ungleichverteilung im Mevolu-men und die dadurch verursachte Gefahr von Mefehlern kann durch den Einsatz von Segmentelektroden begegnet werden. Um ein noch ausreichend groes Mesignal zu erhalten, scheinen vier Elektroden, die jweils geeignet verschaltet werden, ausreichend zu sein.32

4 Flssigkeitsinhalt von Packungen

Der Flssigkeitsinhalt (Holdup) stellt die Schlsselgre zur Beschreibung der Fluid-dynamik und der Trennleistung von Packungskolonnen dar. So hngt der Druckverlust einer Packung mageblich vom Flssigkeitsinhalt ab, er ist signifikant fr die Betriebs-grenze einer Packung, und die von Holdup gebildete benetzte Oberflche ist entschei-dend fr die Stoffbertragungsleistung einer Packung. Zwar interessiert die Gre selbst quantitativ nur selten (Ausnahmen stellen hier nur z.B. die Reaktiv- und die Batchrektifikation dar), jedoch ist eine Modellierung der Fluiddynamik und des Stoff-bergangs ohne eine gesicherte Holdupkorrelation nicht denkbar.

Der Flssigkeitsinhalt einer Packung wird von packungsspezifischen Parametern (Struktur, Oberflche, Werkstoff), von Betriebsgren (Flssigkeits- und Gasbelastung) sowie den physikalischen Daten der Fluide beeinflut.

Abb. 4.1 zeigt den typischen Verlauf des Flssigkeitsinhalts ber der Gasbelastung fr verschiedene Flssigkeitsbelastungen. Bei konstanter Flssigkeitsberieselung verndert sich unterhalb der sog. Staugrenze der Flssigkeitsinhalt bei steigendem Gasgegen-strom nur schwach, oberhalb der Staugrenze hingegen verzeichnet man einen starken Anstieg.

Abb. 4.2 gibt die Abhngigkeit des Holdup ohne Gasgegenstrom ber der Flssigkeits-belastung wieder. Man erkennt, da bei stetiger Verringerung der Berieselung der Fls-sigkeitsinhalt einen Grenzwert erreicht. Dieser Grenzwert stellt den sog. Haftflssigkeitsinhalt dar und beschreibt die in der Packung verbleibenden Fls-sigkeitsanteile, die unter Schwerkrafteinflu aufgrund von Adhsions- und Kapillar-krften nicht ausrieseln knnen.

hHaft33

Der den Haftflssigkeitsanteil bersteigende Holdup kann als Betriebsflssigkeitsinhalt oder dynamischer Flssigkeitsinhalt bezeichnet werden.

BRAUER 1971 gibt eine anschauliche Erklrung fr die verschiedenen Anteile des Flssigkeitsinhalts (Abb. 4.3). Der dynamische Flssigkeitsinhalt bildet Filme auf der Oberflche der Packung. In Berherungspunkten von Packungsobjekten kommt es zu

hdyn


Abbildung 4.1: Flssigkeitsinhalt in Abhngigkeit des Gasgegenstroms (Fllkrper IMTP 25, Edelstahl)

Abbildung 4.2: Flssigkeitsinhalt in Abhngigkeit der Flssigkeitsbelastung ohne Gasgegenstrom (Fllkrper IMTP 25, Metall)

Gasbelastung F-Faktor1.0

0.08

B = 5 m/(mh)B = 10 m/(mh)B = 16 m/(mh)B = 30 m/(mh)

Pa0.5

m/mFl

ssi

gkei

tsin

halt

h 0.10

0.09

0.07

0.06

0.050.80.60.4

ges

Flssigkeitsbelastung B

m/m

Fls

sigk

eits

inha

lth

1 10

0.10

m/(mh)

hHaft

0.08

0.06

ges34

4.1 Haftflssigkeitsinhalt

Flssigkeitsansammlungen, die zwar ausgetauscht werden, bei Abschalten der Flssig-keitsberieselung jedoch nicht ausrieseln knnen. Kap. 4.1 behandelt den Haftflssig-keitsinhalt und entwickelt, ausgehend von verffentlichten Modellen, eine neue Beschreibung dieses Flssigkeitsanteils. Die Herleitung eines empirischen Modells zur Beschreibung des dynamischen Flssigkeitsinhalts unterhalb der Staugrenze steht im Mittelpunkt von Kap. 4.2. Der Einflu des Gasgegenstroms auf den Holdup wird dann in Kap. 4.2.4 untersucht und eine Korrelation fr den Bereich oberhalb der Staugrenze vorgestellt.


4.1.1 Experimentelle Daten zum Haftflssigkeitsinhalt

Eine groe experimentelle Datenbasis fr den Haftflssigkeitsinhalt aufzubauen ist schwierig, da es pro Packung und Flssigkeit nur einen Wert gibt. Neben den in eigenen Versuchen vermessenen Packungen (vgl. Kap. 3.3) konnte mit den verffentlichten Daten von SHULMAN ET AL. 1955, BUCHANAN 1967, GELBE 1968B und GOTO UND GASPILLO 1992 fr organische Flssigkeiten und klassische Fllkrperformen die Datenbasis abgerundet werden.

Der abgedeckte Wertebereich fr Geometriedaten und physikalische Gren der Fls-sigkeit ist in Tab. 4.1 aufgefhrt.

Abbildung 4.3: Anteile des Flssigkeitsinhalts (nach BRAUER 1971)

Hafthhdyn

Hafth35


4.1.2 Verffentlichte Modellanstze zum Haftflssigkeitsinhalt

Im Gegensatz zu der Vielzahl von Modellen zum Gesamtflssigkeitsinhalt in Packun-gen (vgl. Kap. 4.2) findet man nur wenige Anstze zum Haftflssigkeitsinhalt.

SHULMAN ET AL. 1955 vermessen drei verschiedene Fllkrpertypen und geben eine dimensionsbehaftete Beziehung fr den Haftflssigkeitsinhalt an.

GELBE 1968A kann mit seiner grafischen Korrelation die eigenen Experimentaldaten sowie die Daten von SHULMAN ET AL. 1955 gut wiedergeben. Er trgt dabei die Haft-flssigkeitsdaten ber der sog. Bondzahl auf. Diese bildet er mit dem hydraulischen Durchmesser der Fllkrper (Gleichung (4.1)).

(4.1)

Bis zu einer Bondzahl von 8 kann nach seiner Angabe mit einem konstanten Haftfls-sigkeitsinhalt von 0.031 m/m gerechnet werden. Fr den Bereich grerer Bondzah-len gibt er den Exponenten der fallenden Kurve mit -0.7 an.

Die von MERSMANN UND DEIXLER 1986 verffentlichte grafische Beziehung zur Bestimmung des Haftflssigkeitsinhalts (fr Fllkrper mit einem Nenndurchmesser von 4 bis 38mm) bedient sich ebenfalls der Bondzahl als charakteristischer Gre, wenngleich hier gegenber der unter Gleichung (4.1) zitierten Definition noch ein kon-stanter Faktor einbezogen wird.

BLA UND KURTZ 1976 verwenden ebenfalls die Bondzahl, bilden diese aber mit dem Kehrwert der spezifischen Oberflche als charakteristische Lnge:

(4.2)

Tabelle 4.1: Variationsbreite der Haftflssigkeitsinhalt-Datenbank

Physikalische Daten der Flssigkeit Packung

Gre Dichte Oberflchen-spannung

dyn. Visko-sitt

Lcken-grad

Oberflche

Einheit

min 789 0.022 0.0006 0.371 140

max 1588 0.0863 0.23 0.975 1330

L L L ageo

kgm3------ Nm----

kgm s-----------

m3

m3------ m

2

m3------

dh

Bo WeFr--------g LL

------------- dh2

g LL

------------- 4 ageo----------

2= = =

Bo WeFr--------g L a2--------------------= =36

L geo


Fr zwei Bereiche der so definierten Bondzahl geben die Autoren Bestimmungsglei-chungen fr den Haftflssigkeitsinhalt an:

fr (4.3)

fr (4.4)

Damit ist das Modell in der Lage, Packungen mit einem mittleren relativen Fehler von 19% zu beschreiben1. Der Vergleich des Modells mit den verfgbaren Haftflssigkeits-daten zeigt Abb. 4.4.

1. Grundlage dieser Aussage ist der Vergleich des Modells mit der Haftflssigkeitsdatenbank (vgl. Kap. 4.2.1). Diese Datenbank enthlt auch Packungsstrukturen, die zum Zeitpunkt der Verffentlichung des Modells noch

Abbildung 4.4: Haftflssigkeitsinhalt, Modell von BLA UND KURTZ 1976

hHaft 0,037 Bo0,07

= Bo 1ageo 200m

2 m3< C 0,83= D 1 3=C 0,62= D 1 4=

uG Fl,

h0 2,2L

L g2

--------------- 13--- uL ageo

6 2-------------------

0,5

=

h hFl hFl h0( ) 1uG uG Fl, 0,65

0,35-------------------------------------- 2

+=

hFl

0,24 1uL

uG Fl,-----------

----------------------------------------- 1,254uL

uG Fl,----------- 0,48

uLuG Fl,----------- 1

uLuG Fl,----------- +

1 21,12

uLuG Fl,-----------

=

41


mit (4.12)

Der Vergleich der Beziehung mit der unter Kap. 4.2.1 beschriebenen Datenbasis ergibt eine mittlere relative Abweichung von 31% fr den Bereich unterhalb der Staugrenze.

Modell von Billet und Schultes (BILLET 1993 und BILLET UND SCHULTES 1993)

Die Autoren leiten unter der Voraussetzung der laminaren Strmung an einer senkrech-ten Platte ein theoretisches Modell fr den Gesamtflssigkeitsinhalt ab. Ohne Berck-sichtigung des Einflusses des Gasgegenstroms fhrt dies auf die Gleichung (4.13).

(4.13)

Der so abgeleitete Wert fr den Flssigkeitsinhalt wird von den Autoren in der Modellierung von Fluiddynamik und Stoffbergang verwendet. Zur Beschreibung der realen Flssigkeitsanteile einer Packung unterhalb der Staugrenze fhren die Autoren noch einen Korrekturterm ein (vgl. Gleichung (4.14)). Die hier eingefhrte Konstante

ist packungsspezifisch, wird fr eine Flssigkeitsreynoldszahl grer 5 mit dem Korrekturfaktor 0.85 belegt und mu den Verffentlichungen der Autoren entnommen werden.

(4.14)

Die Bercksichtigung des Gasgegenstroms erfolgt strukturell wie in der Arbeit von BORNHTTER 1991, wobei der Exponent jedoch auf den Wert 13 erhht wird.

(4.15)

Die Berechnung von Flssigkeitsinhalt und Gasgeschwindigkeit am Flut-punkt erfolgt ber eine Iteration der impliziten Gleichung (4.16) und der Gleichung (4.17).

(4.16)

(4.17)

uG Fl, 0,565 65---

16--- dh

dT-----

1 4/ dT g G

------------------------ 1 2/

1 hFl( ) = dTL g--------------=

h0 theo,12 L uL ageo2

g L----------------------------------------

1 3/=

h0 theo,

Ch

h012 L uL a

2

g L------------------------------------

1 3

ChuL L

ageo L--------------------

0,25 uL2 ageo

g------------------- 0,1

=

h h0 hFl h0( )uG

uG Fl,-----------

13+=

hFl uG Fl,

hFl3 3 hFl ( ) 6 a

2

g----- LL------

GL------ uG Fl, =

uG Fl,2 g hFl L

Fl ageo G ---------------------------------------- hFl( )3 2=42

4.2 Gesamtflssigkeitsinhalt

Der Widerstandsbeiwert wird dabei unter Einbeziehung einer packungsspezifi-schen Konstante errechnet.

Der Vergleich der Beziehung mit der unter Kap. 4.2.1 beschriebenen Datenbasis ergibt eine mittlere relative Abweichung von 27% fr den Bereich unterhalb der Staugrenze. Dabei knnen jedoch nur 16% der Medaten geprft werden, da nur fr diese pak-kungsspezifische Konstanten von den Autoren verffentlich sind.

Modell von Stichlmair (STICHLMAIR ET AL. 1989)

Diese von STICHLMAIR ET AL. 1989 publizierte empirische Beziehung basiert auf der Auswertung einer Vielzahl verffentlichter Daten, bleibt jedoch auf wrige Systeme beschrnkt. Unterhalb der Staugrenze wird der Flssigkeitsinhalt durch Gleichung (4.18) beschrieben, wobei der Term die um eine Schwarmkorrektur erweiterte Froude-zahl darstellt.

(4.18)

Oberhalb der Staugrenze erfolgt die Beschreibung des Flssigkeitsinhalts ber einen multiplikativen Term, in dem der spezifische Gesamtdruckverlust die entscheidende Gre darstellt (Gleichung (4.19)). Die im Rahmen dieser Arbeit durchgefhrten Mes-sungen an unterschiedlichsten Packungen knnen diesen Zusammenhang besttigen (siehe Kap. 4.2.4). Die Berechnung des Holdup oberhalb der Staugrenze kann aufgrund der Verknpfung von Druckverlust (vgl. Kap. 5.2.4) und Flssigkeitsinhalt nur iterativ vorgenommen werden.

(4.19)

Der Vergleich der Beziehung mit der unter Kap. 4.2.1 beschriebenen Datenbasis ergibt eine mittlere relative Abweichung fr den Bereich unterhalb der Staugrenze von 32% fr wrige Systeme und 42% fr die gesamte Datenbasis.

Fl

Ch

h0 0,555uL

2 ageog 4,65

--------------------- 1 3=

h h0 1 20pges LL g

-------------------- 2

+=43


4.2.3 Modellierung des Gesamtflssigkeitsinhalts ohne Gasgegenstrom

Die groe Zahl der verffentlichten - meist empirischen - Modelle und ihr einge-schrnkter Gltigkeitsbereich zeigt, wie schwierig die Gre Flssigkeitsinhalt einer Vorausberechnung zugnglich ist. Vergleicht man die verschiedenen Anstze hinsicht-lich ihrer Vorhersagegenauigkeit mit experimentellen Daten, so ist eine mittlere relative Abweichung von ca. 30% die Regel.

Zur Modellierung des Flssigkeitsinhalts scheint eine Beschreibung der strmungstech-nischen Phnomene in einer Packung zu komplex. So kann z.B. die von BILLET 1993publizierte Beschreibung einer laminaren Filmstrmung auf der Packungsoberflche alleine nicht die auftretenden Effekte beschreiben und mu im Laufe der Modellent-wicklung ber empirische Faktoren korrigiert werden.

Auch die Arbeit von BORNHTTER 1991 untersucht zwar sehr detailliert die str-mungstechnischen Phnomene in Packungskolonnen, verwendet fr die Beschreibung des Flssigkeitsinhalts jedoch einen rein empirischen Ansatz. Die Arbeit von HANLEY ET AL. 1994 stellt eine Analogie zwischen Packung und einem elektrischen Netzwerk her. Die groe Zahl von anzupassenden Parametern weicht den theoretischen Anspruch des Modellansatzes jedoch auf.

Der in dieser Arbeit verfolgte Weg versucht nicht, die Einzelphnomene der Benetzung modellhaft zu beschreiben, sondern auf Basis einer mglichst groen Zahl unterschied-lichster Stoffsysteme und Packungsgeometrien eine allgemeine empirische Beschrei-bung des Flssigkeitsinhalts zu erreichen. Dazu wird, ausgehend von einem vollstndigen Kennzahlensatz und einer geeigneten Verknpfung der dimensionslosen Kennzahlen, eine Anpassung der Modellparametern an die experimentelle Datenbasis vorgenommen.

Kennzahlen werden besonders in den Ingenieurwissenschaften hufig eingesetzt, um eine bersichtliche und allgemeingltige Darstellung von komplexen Zusammenhn-gen zu erreichen. Das genaue Vorgehen zur Aufstellung eines vollstndigen Kennzah-lensatzes ist allgemein in STICHLMAIR 1990 beschrieben und wird im Folgenden nur skizziert.44


Die Basis zur Aufstellung des Kennzahlensatzes fr den Bereich unterhalb der Stau-grenze bilden die den Flssigkeitsinhalt beeinflussenden Gren

Erdbeschleunigung g Flssigkeitsbelastung (Leerrohrgeschwindigkeit der Flssigkeit) Flssigkeitsdichte dynamische Flssigkeitsviskositt Oberflchenspannung der Flssigkeit Lckengrad der Packung spezifische geometrische Packungsoberflche .

Die Aufnahme einer charakteristischen Nennabmessung (z.B. Durchmesser eines Fll-krpers) scheint entbehrlich, da ber die spezifische geometrische Packungsoberflche (bzw. deren Kehrwert) eine Gre zur Beschreibung der Packung zur Verfgung steht (vgl. auch die Bildung der Bondzahl in Kap. 4.1.3). Auch wrde eine Nennabmessung wie der Fllkrperdurchmesser das zu entwickelnde Modell auf Fllkrper beschrn-ken.

Da es sich beim Lckengrad der Packung um eine dimensionslose Gre handelt, ver-bleiben sechs physikalische Gren in der Relevanzliste, die ber die drei Basiseinhei-ten Lnge, Zeit und Masse beschrieben werden knnen.

Diese Gren werden in die Dimensionsmatrix (vgl. Tab. 4.3) eingetragen.

Formt man durch geeignete Zeilentransformationen die Matrix so um, da sich fr die linke 3x3-Matrix die Einheitsmatrix ergibt, so knnen aus den brigen Spalten die dimensionslosen Kennzahlen abgelesen werden (vgl. Tab. 4.4).

Tabelle 4.3: Einheitenmatrix der physikalischen Gren

Lnge [m] 1 -1 -3 1 -1 0

Zeit [s] -2 0 0 -1 -1 -2

Masse [kg] 0 0 1 0 1 1

Tabelle 4.4: Einheitssubmatrix als Ergebnis geeigneter Zeilenumformungen

Lnge [m] 1 0 0 0.5 0.5 1

Zeit [s] 0 1 0 -0.5 -1.5 -2

Masse [kg] 0 0 1 0 1 1

uLL

LL

ageo

g ageo L uL L L

g ageo L uL L L45


Es ergeben sich (neben dem Lckengrad der Packung) drei dimensionslose Kennzah-len:

Die Kennzahl stellt eine dimensionslose Geschwindigkeit dar. Sie ist als

Froudezahl bekannt und charakterisiert die Filmstrmung auf ebenen Flchen.

Die Kennzahl beschreibt eine dimensionslose dynamische Viskositt.

Der reziproke Wert der Kennzahl wird als Gallilei-Zahl bezeichnet und beschreibt den Strmungszustand von Flssigkeitsfilmen.

Die Kennzahl ist eine dimensionslose Oberflchenspannung. Sie wird

als Bondzahl bezeichnet und stellt den Quotienten aus Froude- und Weberzahl dar. Sie steht fr die Beschreibung des Abtropf- und Benetzungsverhaltens und wurde in dieser Funktion bereits zur Beschreibung des Haftflssigkeitsinhalts (vgl. Kap. 4.1) verwen-det.

Um die gewonnenen Kennzahlen zur Beschreibung des Flssigkeitsinhalts unterhalb der Staugrenze ( ) nutzen zu knnen, mssen sie in geeigneter mathematischer Form verknpft werden. Dabei mu die funktionale Beschreibung prinzipiell den Verlauf (vgl. Abb. 4.2) des Holdup wiedergeben knnen. Der in Gleichung (4.20) dargestellte Funktionstyp als Addition eines konstanten Terms (Haftflssigkeitsinhalt ) und eines flssigkeitsabhngigen Anteils (dynamischer Flssigkeitsinhalt ) ist dazu geeignet.

(4.20)

Fr die Beschreibung des dynamischen Anteils des Flssigkeitsinhalts unterhalb der Staugrenze bietet sich ein Potenzprodukt (Gleichung (4.21)) an.

(4.21)

Die Konstanten bis in dieser Beziehung werden ber eine Anpassung an die in Kap. 4.2.1 beschriebene Datenbasis angepat, wobei der Gesamtflssigkeitsinhalt (bei modelliertem Haftflssigkeitsinhalt) als Anpassungsgre verwendet wird.

Diese Anpassung ergibt fr die Kostante den Wert von 0. Dies bedeutet, da der Lckengrad der Packung keinen mageblichen Einflu auf den Flssigkeitsinhalt der Packung besitzt. Dies ist auf den ersten Blick vielleicht berraschend. Die Flssigkeit

uuL ageo

1 2

g1 2-------------------=

L ageo

3 2

L g1 2

--------------------=

L ageo

2

L g--------------------=

h0

hHafthdyn0

h0 hHaft hdyn0+=

hdyn0

hdyn0 C1 uC2

C3 C4

C5 =

C1 C5

C546


befindet sich jedoch in erster Linie auf der Oberflche der Packung und nimmt keine Notiz von der Materialstrke der berstrmten Flchen. Wre der Flssigkeitsinhalt vom eingesetzten Packungsmaterialvolumen (also ) abhngig, mte der Flssig-keitsinhalt einer geordneten Blechpackung bei gleicher spezifischer Packungsoberfl-che eine Funktion der Blechstrke sein. Da dies aber offensichtlich nicht der Fall ist, scheint die Vernachlssigung des Lckengradeinflusses in der Modellierung des Holdup plausibel.

Die brigen Konstanten nehmen die in Gleichung (4.22) dargestellten Werte an.

(4.22)

Der hohe Einflu (Exponentenwert 0.66) der Flssigkeitsbelastung auf den dynami-schen Anteil des Flssigkeitsinhalts war zu erwarten und findet sich in hnlicher Form in vielen anderen Modellen (siehe auch Kap. 4.2.5). Der geringe Einflu der Bondzahl mit einem Exponentenwert von 0.1 ist ebenso verstndlich, da diese statischen Anteile bereits ber die Haftflssigkeitsanteile der Gleichung (4.20) erfat sind.

Zur Visualisierung der Qualitt der Anpassung bietet sich die in Abb. 4.6 gewhlte Form der Auftragung an. Die mittlere Abweichung zwischen Experimentaldaten und Holdupbeziehung nach Gleichung (4.22) betrgt 16%. 80% der Experimentaldaten knnen mit einer relativen Abweichung von weniger als 30% beschrieben werden.

Die Streuung im Bereich niedriger Abszissenwerte ist auf Meunsicherheiten im Bereich kleinster Berieselungsdichten zurckzufhren. Eigene Messungen liegen in diesem Bereich nicht vor, da aufgrund der Limitierung des Arbeitsbereichs des Flssig-keitsverteilers keine gleichmige Verteilung garantiert werden kann. Ob die hier von anderen Experimentatoren bernommenen Daten dies - z.B. durch Verwendung von rotierenden Verteilern - in allen Fllen gewhrleisten knnen, mu bezweifelt werden. Im Bereich kleinster Berieselungsdichten ( ) ist der Einsatz von Pak-kungskolonnen mit einem hohen Aufwand fr die gleichmige Flssigkeitsverteilung verbunden und die Gefahr der Maldistribution sehr gro. Fr solche Anwendungsflle werden normalerweise Bodenkolonnen eingesetzt.

1

hdyn0 3,6uL ageo

1 2

g1 2-------------------

0,66 L ageo3 2L g

1 2

-------------------- 0,25 L ageo2

L g--------------------

0,1

=

hHaft

B 3m3 m2h( )


4.2.4 Modellierung des Gesamtflssigkeitsinhalts mit Gasgegenstrom

Aufbauend auf einem Modell zur Beschreibung des Flssigkeitsinhalts ohne Gasgegen-strom wird der Einflu des Gases bei den meisten der in Kap. 4.2.2 vorgestellten Modellen ber einen Faktor erfat, in den die auf die Flutgasgeschwindigkeit (maxi-male Gasgeschwindigkeit bei konstanter Berieselungsdichte) bezogene Gasgeschwin-digkeit mageblich eingeht (MACKOWIAK 1991, BORNHTTER 1991, BILLET UND SCHULTES 1993). Fr die Beschreibung der Flutgasgeschwindigkeit stehen jeweils modellspezifische Anstze zur Verfgung.

Der Anstieg des Holdup bei STICHLMAIR ET AL. 1989 wird ber die Bercksichtigung des Gesamtdruckverlusts modelliert und basiert dabei auf der Feststellung, da bei einer Auftragung des Gesamtflssigkeitsinhalts ber dem Druckverlust die Staugrenze als schmaler vertikaler Bereich beschrieben werden kann (vgl. Abb. 4.7).

Abbildung 4.6: Modell zum Gesamtflssigkeitsinhalt ohne Gasgegenstrom (Datenbasis vgl. Kap. 4.2.1)

3.6 u0.66 0.250.1

10-4

10-3

10-2

10-1

100

1

10

100

ExperimentModel

h/h 0

Haf

t

h =dyn48


Diese Charakteristik kann durch eine Funktion in Form der Gleichung (4.23) beschrie-ben werden. Die Konstanten bei Stichlmair betragen dabei fr und fr

.

(4.23)

In Anlehnung an diese Formulierung der Abhngigkeit der Gesamtholdupsteigerung aufgrund des Gasgegenstroms kann auch die Zunahme des dynamischen Flssigkeitsin-halts analog beschrieben werden. Die Konstanten und werden ber eine Anpas-sung an experimentelle Daten (Druckverlust und Holdup) bestimmt und ergeben die in Gleichung (4.24) dargestellten Werte.

(4.24)

Die Gte dieser Beziehung kann durch die Auftragung der so berechneten und gemes-senen Werte visualisiert werden (Abb. 4.8).

Abbildung 4.7: Gesamtflssigkeitsinhalt in Abhngigkeit des Druckverlusts Fllkrper Raflux 25mm (PP); System Luft/Wasser; Bereich der Staugrenze schraffiert

Spezifischer Gesamtdruckverlust pges/L

10 100 1000

Ges

amtfls

sigk

eitsinha

lt h

0.1

B = 5 m/(mh)B = 10 m/(mh)B = 15 m/(mh)B = 25 m/(mh)B = 30 m/(mh)

m/m

Pa/m

C1 20=C2 2=

h h0 1 C1pges LL g

-------------------- C2

+=

C1 C2

hdyn hdyn0 1 36pges LL g

-------------------- 2

+=49


Der experimentelle dynamische Flssigkeitsinhalt (Abszisse in Abb. 4.8) errechnet sich dabei aus Gleichung (4.25). Die Berechnung des dynamischen Holdup (Ordinate in Abb. 4.8) erfolgt nach Gleichung (4.26). Insgesamt gehen dabei vier experimentelle Megren ein: Der gesamte Flssigkeitsinhalt ohne Gasgegenstrom (am Anfang eines Versuchs fr die jeweilige Flssigkeitsbelastung gemessen), der Haftflssigkeits-inhalt (am Anfang des Versuchs gemessen), der gesamte Flssigkeitsinhalt unter Betriebsbedingungen und der spezifische Druckverlust unter Betriebsbedin-gungen .

(4.25)

(4.26)

Fr diese Form der Darstellung bentigt man Medatenstze mit simultan vermesse-nem Holdup und spezifischem Druckverlust. Da in der Literatur solche Daten praktisch nicht verfgbar sind, wurde eigene Versuche durchgefhrt. Diese eigenen Versuchsda-ten (vgl. Kap. 3.3) liegen der in Abb. 4.8 dargestellten Anpassung zugrunde.

Abbildung 4.8: Parityplot des dynamischen Flssigkeitsinhalts mit Gasgegenstrom

m/m

m/m0.080.060.040.04

0.06

0.08

0.10

0.10

Bere

chne

teW

erte

h dyn

,ber

Mewerte hdyn,exp

h0 exp,

hHaft exp,hexp

pges L( )exphdyn exp, hexp hHaft exp,=

hdyn ber, h0 exp, 1 36pges L( )expL g

Volker dissertation, 1999

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