Untersuchungen zur Fluiddynamik und zum Stofftransport der Filmströmung an senkrechten Drähten
Packungskolonnen werden in vielen Destillations- und Absorptionsprozessen in der chemischen Industrie eingesetzt. Ein innovatives Konzept ist die Drahtbündelpackung, bei dieser ist ein vertikales Drahtbündel mit einem Flüssigkeitsverteiler verbunden welcher einen Fallfilm auf den Drähten erzeugt. Im Vergleich zu herkömmlichen strukturierten Packungen verspricht das Konzept Vorteile im Hinblick auf Druckverlust, Belastungsgrenzen und Flüssigkeitsverteilung in der Packung. Bisher wurde die Drahtbündelpackung lediglich im Labormaßstab verwirklicht, eine Eignung unter industriellen Bedingungen muss noch nachgewiesen werden. Um die Fluiddynamik und den Stofftransport der Filmströmung im Detail zu untersuchen, wurden experimentelle Untersuchungen mit Einzeldrähten in einem Testkanal (Abmessungen: 20 mm x 20 mm x 1000 mm) durchgeführt. Die untersuchten Drahtgeometrien waren ein zylindrischer Draht (Durchmesser: 1 mm) sowie unterschiedliche Ketten und ein Bündel aus 16 Drähten. Für verschiedene Flüssigkeiten wurden die Belastungsgrenzen, die lokale Filmdicke, die Perlengeschwindigkeit, der Hold-up der Flüssigkeit, der Druckverlust sowie die gas- und flüssigkeitsseitigen Stofftransportkoeffizienten bei verschiedenen Gas- und Flüssigkeitsbelastungen gemessen. Die Ergebnisse der Einzeldrahtuntersuchungen wurden herangezogen, um das Verhalten einer Drahtbündelpackung vorherzusagen. Der Flüssigkeitsfilm zeigt sich schnell bewegende Flüssigkeitsperlen welche über einen dünnen Basisfilm laufen. Der auslösende Mechanismus der Perlenbildung ist die Rayleigh-Plateau-Instabilität, welche u. a. bei stark gekrümmten Flüssigkeitsfilmen auftritt und die Filmoberfläche verringert. Bei steigender Gasbelastung werden die Perlen zunehmend größer und kompakter bei abnehmender Perlenfrequenz. Der Hold-up der Flüssigkeit und die Perlengeschwindigkeit werden allerdings von der Gasbelastung nicht beeinflusst. Aufgrund ihrer Krümmung wächst die Filmoberfläche mit zunehmender Flüssigkeitsbelastung als Resultat steigender Filmdicken. Der gas- und flüssigkeitsseitige Stofftransport wird durch die Perlenbewegung verbessert und ist annähernd doppelt so hoch wie bei der Filmströmung an ebenen Oberflächen. Einige Ketten unterdrücken die Perlenbewegung, was zu höheren Belastungsgrenzen und schlechteren Stoffübergangskoeffizienten führt. Bei einem Drahtabstand von 5 mm würde eine Drahtbündelpackung aus zylindrischen Drähten (Durchmesser 1 mm) eine trockene Packungsoberfläche von 125 m2/m3 aufweisen, wobei diese bei höherer Flüssigkeitsbelastung auf bis zu 200 m2/m3 ansteigen würde. Die vorausgesagte Trennleistung ist vergleichbar zu herkömmlichen strukturierten Packungen, wobei der spezifische Druckverlust um eine Größenordnung geringer ist und die Belastungsgrenzen deutlich höher sind. Mögliche Anwendungen für die Drahtbündelpackung könnten Absorptionsprozesse wie z. B. die Rauchgasreinigung sein, bei denen sie zu Steigerungen des Gesamtwirkungsgrads beitragen könnte.
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