Wetting of Structured Packing Elements - CFD and Experiment

Benetzung von strukturierten Packungselementen – CFD und Experiment

  • Wetting of a solid surface with liquids is an important parameter in the chemical engineering process such as distillation, absorption and desorption. The degree of wetting in packed columns mainly contributes in the generating of the effective interfacial area and then enhancing of the heat and mass transfer process. In this work the wetting of solid surfaces was studied in real experimental work and virtually through three dimensional CFD simulations using the multiphase flow VOF model implemented in the commercial software FLUENT. That can be used to simulate the stratified flows [1]. The liquid rivulet flow which is a special case of the film flow and mostly found in packed columns has been discussed. Wetting of a solid flat and wavy metal plate with rivulet liquid flow was simulated and experimentally validated. The local rivulet thickness was measured using an optically assisted mechanical sensor using a needle which is moved perpendicular to the plate surface with a step motor and in the other two directions using two micrometers. The measured and simulated rivulet profiles were compared to some selected theoretical models founded in the literature such as Duffy & Muffatt [2], Towell & Rothfeld [3] and Al-Khalil et al. [4]. The velocity field in a cross section of a rivulet flow and the non-dimensional maximum and mean velocity values for the vertical flat plate was also compared with models from Al-Khalil et al. [4] and Allen & Biggin [5]. Few CFD simulations for the wavy plate case were compared to the experimental findings, and the Towel model for a flat plate [3]. In the second stage of this work 3-D CFD simulations and experimental study has been performed for wetting of a structured packing element and packing sheet consisting of three elements from the type Rombopak 4M, which is a product of the company Kuhni, Switzerland. The hydrodynamics parameters of a packed column, e. i. the degree of wetting, the interfacial area and liquid hold-up have been depicted from the CFD simulations for different liquid systems and liquid loads. Flow patterns on the degree of wetting have been compared to that of the experiments, where the experimental values for the degree of wetting were estimated from the snap shooting of the flow on the packing sheet in a test rig. A new model to describe the hydrodynamics of packed columns equipped with Rombopak 4M was derived with help of the CFD–simulation results. The model predicts the degree of wetting, the specific or interfacial area and liquid hold-up at different flow conditions. This model was compared to Billet & Schultes [6], the SRP model Rocha et al. [7-9], to Shi & Mersmann [10] and others. Since the pressure drop is one of the most important parameter in packed columns especially for vacuum operating columns, few CFD simulations were performed to estimate the dry pressure drop in a structured and flat packing element and were compared to the experimental results. It was found a good agreement from one side, between the experimental and the CFD simulation results, and from the other side between the simulations and theoretical models for the rivulet flow on an inclined plate. The flow patterns and liquid spreading behaviour on the packing element agrees well with the experimental results. The VOF (Volume of Fluid) was found very sensitive to different liquid properties and can be used in optimization of the packing geometries and revealing critical details of wetting and film flow. An extension of this work to perform CFD simulations for the flow inside a block of the packing to get a detailed picture about the interaction between the liquid and packing surfaces is recommended as further perspective.
  • Benetzung einer festen Oberfläche mit Flüssigkeiten ist ein bedeutsames Thema bei z.B. Destillation, Absorption und Desorption. Der Benetzungsgrad in Packungskolonnen trägt hauptsächlich zur Bildung der Phasengrenzfläche bei, die dann den Wärme- und Stofftransport beeinflusst. In dieser Arbeit wurde die Benetzung von festen Oberflächen durch experimentelle Arbeit und durch dreidimensionale CFD - Simulationen mit dem VOF Mehrphasenströmungsmodell, das in dem kommerziellen Code FLUENT eingebunden ist, untersucht. Dieses Modell kann verwendet werden, um die Strömung mit freier Oberfläche zu simulieren [1]. Die hier untersuchte Flüssigkeitsrinnsalströmung ist ein spezieller Fall der Filmströmung, die in Packungskolonnen auftreten kann. Die Benetzung einer festen flachen und wellenförmigen Metallplatte mit Rinnsalströmung wurde mit dreidimensionalen CFD-Simulationen modelliert und experimentell validiert. Die lokale Rinnsalhöhe wurde mit einem optisch unterstützten mechanischen Sensor, der senkrecht zur Plattenoberfläche mit einem Schrittmotor und in den anderen zwei Richtungen mit zwei Mikrometern verschoben werden kann, gemessen. Die gemessenen und simulierten Rinnsalprofile wurden mit einigen ausgewählten theoretischen Modellen, aus der Literatur wie Duffy u. Muffatt [2], Towell u. Rothfeld [3] und Al-Khalil et Al. [4] verglichen. Das Geschwindigkeitsfeld in einem Querschnitt der Rinnsalströmung und die dimensionslose maximale und mittlere Rinnsalsgeschwindigkeit für die vertikale flache Platte wurden auch mit den Modellen von Al-Khalil et Al. [4] und Allen u. Biggin [5] verglichen. CFD Simulationen für die wellenförmige Platte wurden mit dem experimentellen Ergebnissen und dem Towell u. Rothfeld Modell [3] für flache Platten verglichen, um den CFD Code an einfachen Fällen zu validieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden 3-D CFD-Simulationen und experimentelle Untersuchungen für die Benetzung eines strukturierten Packungselements und Packungsblattes bestehend aus drei Elementen der Kühni Rombopak 4M durchgeführt. Die hydrodynamischen Parameter der Packungskolonne, das heißt der Benetzungsgrad, die Phasengrenzfläche und der Flüssigkeitshold-up wurden mit den CFD Simulationen für unterschiedliche Flüssigkeiten und Belastungen ermittelt. Aus den experimentell aufgenommenen Bildern der Strömungsmuster wurde den Benetzungsgrad berechnet. Es wurde ein neues Modell zur Beschreibung der Packungskolonnen, die mit Rombopak 4M befüllt sind, mit Hilfe der CFD-Simulationen abgeleitet. Das Modell gibt den Benetzungsgrad, die spezifische Phasengrenzfläche und den Flüssigkeitshold-up für unterschiedliche Flüssigkeiten bei unterschiedlichen Flüssigkeitsbelastungen wieder. Dieses Modell wurde mit den Modellen von Billet u. Schultes [6], Rocha et Al. (SRP-Modell) [7-9], Shi & Mersmann [10] und anderen verglichen. Zum Druckabfall, einem der wichtigsten Parameter in Packungskolonnen, wurden CFD-Simulationen durchgeführt, um den trockenen Druckverlustes eines strukturierten und flachen Packungselements zu finden. Die Ergebnisse wurden mit den experimentellen Daten verglichen. Es wurden gute Übereinstimmungen zwischen den experimentellen und CFD-Ergebnissen und zwischen den Simulationen und den theoretischen Modellen für die Rinnsalströmung auf einer geneigten Platte gefunden. Die Strömungsmuster und die Ausbreitung bzw. das Verhalten der Flüssigkeit auf dem Packungselement stimmt sehr gut mit den experimentellen Resultaten überein. Das VOF Modell ist sehr empfindlich für die unterschiedlichen Flüssigkeitseigenschaften und kann verwendet werden um kritische Details der Benetzung mit Filmströmung aufzudecken. Damit kann es zur Optimierung der Packungsgeometrie eingesetzt werden. Eine Fortführung der Arbeit, um CFD - Simulationen für die Strömung innerhalb eines Blockes der Packung durchzuführen, um ausführliche Informationen über die Interaktion zwischen der Flüssigkeit und der Packungsoberfläche zu erhalten, wird empfohlen.

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Metadaten
Author:Adel Ataki
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-19897
Advisor:Hans-Jörg Bart
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2006
Year of Publication:2006
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2006/08/16
Tag:Mehrphasenströmung; Rombopak ; VOF Modell
CFD Simulation; Packed Columns ; Pressure Drop; VOF Model ; Wetting
GND-Keyword:Benetzung ; Druckabfall; Füllkörpersäule ; Numerische Strömungssimulation ; Simulation
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:670 Industrielle Fertigung

$Rev: 12793 $