Koaleszenz von Tropfen und Tropfenschwärmen

  • Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Tropfen-Tropfen Koaleszenzphänomenen in Flüssig-Flüssig Dispersionen. Ziel der Arbeit war es mit Hilfe einfacher Laborapparaturen die kennzeichnenden Koaleszenzparameter zu identifizieren und zu quantifizieren. Im Fokus der Untersuchungen lagen die von der EFCE (European Federation of Chemical Engineers) empfohlenen Teststoffsysteme Toluol/Aceton/Wasser und n-Butylacetat/Aceton/Wasser. Messungen in einem Rührbehälter bzw. in einer Venturizelle haben gezeigt, dass die Tropfen-Tropfen-Koaleszenz von einer Vielzahl von Parametern abhängig ist. Neben den Betriebs- und Stoffdaten bestimmt auch die chemische Zusammensetzung des Systems das Koaleszenzverhalten. Ionische Verunreinigungen und auch Basen haben eine koaleszenz-hemmende Wirkung, wohingegen Säuren und auch bestimmte Elektrolyte die Tropfen-Tropfen-Koaleszenz begünstigen. Beide Phänomene sind auf die Ladungsverteilung im Bereich der Phasengrenzfläche und die damit verbundene Ausdehnung der elektrochemischen Doppelschicht zurückzuführen. Im Falle von Stoffaustauschuntersuchungen bestimmt darüber hinaus auch die Anwesenheit einer Transferkomponente das Koaleszenzgeschehen. Beobachtungen aus der Literatur konnten bestätigt werden, dass die Koaleszenz verstärkt wird, wenn der Stoffaustausch von der dispersen in die kontinuierliche Phase realisiert wird. Tropfengröße und Hold-up sind dann, im Vergleich zu den Untersuchungen ohne Stoffaustausch, für die Koaleszenz nicht mehr relevant. Mit Kenntnis der grundsätzlichen Einflussfaktoren wurden die unbekannten Koaleszenz-parmeter im Segment eines technischen Extraktionsapparates vom Typ RDC (Rotating Disc Contactor) bestimmt. Dazu wurden die Tropfengrößenverteilungen am Ein- und Austritt des Segments in Abhängigkeit von Energieeintrag und Belastung vermessen. Auf Basis eines diskreten Tropfen-Populations-Bilanz-Modells wurde ein Optimierungsalgorithmus entwickelt, der unter Variation der modellspezifischen Anpassungsparameter die simulierte Tropfen-größenverteilung am Austritt an die experimentell bestimmte Verteilung anpassen kann. Modellansätze von Sovova und von Coulaloglou und Tavlarides waren Gegenstand der Optimierung. Die Berechnung der Tropfenaufstiegsgeschwindigkeit und der Zerfallsfrequenz erfolgte auf Basis von Korrelationen, die aus Einzeltropfenuntersuchungen entwickelt wurden. Auf Basis der zur Verfügung stehenden Modellparameter wurden Simulationsrechnungen für eine Technikumskolonne vom Typ RDC durchgeführt und mit experimentellen Messergebnissen verglichen und bewertet. Insbesondere die Simulationsergebnisse mit dem Stoffsystem n-Butylacetat/Wasser zeigten die Bedeutung der Koaleszenz für eine korrekte Kolonnenberechnung auf. Aufgrund der geringen Grenzflächenspannung des Systems sind die tropfengrößenspezifischen Zerfallswahrscheinlichkeiten bereits bei geringen Rotordrehzahlen verhältnismäßig hoch. Dies führt bei einer Vernachlässigung der Koaleszenz zu einer Tropfengrößenverteilung, die zu kleine Tropfendurchmesser voraus berechnet und signifi-kant von den experimentellen Ergebnissen abweicht. Insbesondere das Modell von Coulaloglou und Tavlarides vermag die Gegebenheiten für die untersuchten Betriebs- und Stoffdaten korrekt wiederzugeben. Das Modell von Sovova kann aufgrund seiner Modellcharakteristik die Tropfen-Tropfen-Koaleszenz in gerührten Flüssig-Flüssig-Dispersionen nicht exakt beschreiben.
  • Liquid-liquid extraction processes are widely used in chemical and biochemical industry. Classical extraction apparatus are mixer settler cascades or different types of counter current extraction columns. The column dimensions are greatly affected by the dispersed phase hold-up and the particle size distribution, which determine the interfacial area and the mean residence time of the dispersed phase. Up to now the design of an extraction column without experimental pilot plant work is not feasible. The usually applied back – mixing model can not properly describe the real hydrodynamic behaviour because of its simplifications. This is special as the disperse phase hold-up and the droplet sizes are not constant and change with time and column height due to the droplet rising velocity, the axial dispersion, the breakage and the random inter-droplet coalescence of droplets. A better understanding of the local hydrodynamics can be given by the Droplet Population Balance Model (DPBM) which takes these dynamic processes into account. On the basis of simple lab-scale devices the DPBM model parameters for coalescence were investigated by swarm droplet studies with low experimental effort which save time and costs. The experiments were performed with the standard EFCE test system n-butyl acetate/water and toluene/water. For the experiments under mass transfer conditions acetone was chosen as the solute. In the case of stirred liquid-liquid extraction columns it is assumed that coalescence mainly occurs in the weak turbulence zones of the column which directly corresponds to the zones below the stator plates in stirred columns. In regard to this, the coalescence phenomena of a droplet swarm were investigated in the flow field of a Venturi tube where it can be guaranteed that only coalescence events occur during an experiment. In this way it is possible to investigate the coalescence probability between swarm droplets depending on the droplet diameter, the hold-up of the disperse phase, the system properties and the mass transfer direction. In the case of saturated systems the coalescence probability of droplets depends on the droplet size and the hold-up. The coalescence probability generally increases with the hold-up. In contrast to this, the dependency of the coalescence probability on the droplet diameter is different. Mass transfer from the dispersed to the continuous phase intensifies the coalescence process which is in good agreement with the literature. To determine the influence of ionic ingredients coalescence experiments were performed in a stirred vessel. The phases were mixed for a given time in a lab-scale vessel and afterwards the settling time of the phases has been measured depending on the pH value and the salt concentration of the continuous phase. Generally it can be said that a base hindered the coalescence process whereas an acid or a specific electrolyte improved the droplet coalescence behaviour. Furthermore experiments within a short segment of a RDC column have been carried out to determine the compartment’s geometry and energy input influence on the coalescence process. Droplet size distributions have been measured at the inlet and the outlet of the column segment of five compartments. Depending on the volume flow rates and the rotational speed the droplets have been detected. Since breakage and coalescence processes take place at the same time, the experimentator is not able to determine the breakage and coalescence parameters without numerical methods. Therefore an integrated optimization-simulation algorithm has been developed to solve the inverse problem calculating the unknown coalescence constants within a considered coalescence model. For this procedure the droplet rising velocity and the breakage parameters have been independently estimated with the already known models. In order to solve the inverse problem the experimental validated correlations and the appropriated coalescence models have been implemented within a simplified stage-wise hydrodynamic population balance model neglecting the axial dispersion to calculate the droplet size distribution at the outlet. By solving the population balance equations the optimization algorithm derives the unknown coalescence parameters by fitting the simulated outlet distribution to the experimental one by minimizing the least squares. With the knowledge of the complete model parameter set a full scale RDC column was simulated for different operating conditions. Especially simulation runs with systems of a low interfacial tension like the n-butyl acetate/water system have shown that the coalescence can not be neglected. In this case the large droplet breakage probability is responsible for the discrepancy between the simulated droplet size distribution and the experimental one. In contrast to the experimental results the simulation results are shifted to smaller droplet diameters.

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Metadaten
Author:Martin Simon
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-18968
Advisor:Hans-Jörg Bart
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2005
Year of Publication:2005
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2004/12/06
GND-Keyword:Flüssig-Flüssig-Extraktion ; Koaleszenz ; Stoffübergang
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $