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Aufgrund der in der Extraktion vorkommenden physikalischen Vorgänge, wie Benetzung oder Koaleszenz, wird die Auslegung von Extraktionsprozessen auch in absehbarer Zukunft nicht ohne Laborversuche und Pilotierung in den entsprechenden Extraktionsapparaten auskommen. Eine Möglichkeit, die Anzahl an zeit- und kostenintensiven Versuchen in Technikumskolonnen zu verringern, bzw. ganz darauf zu verzichten, stellt der Einsatz von Miniplantextraktoren dar, die mit deutlich reduzierten Volumenströmen betrieben werden können. In dieser Arbeit wurde ein gerührter Miniplantextraktor der Bauart Kühni, mit einem Innendurchmesser von 32 mm, bezüglich Hydrodynamik und Stofftransport untersucht. Bei den Untersuchungen kam das für mittlere Grenzflächenspannungen von der EFCE empfohlene Teststoffsystem n-Butylacetat(d)–Wasser mit Aceton als Übergangskomponent zum Einsatz. Die sich in der Kolonne einstellende Hydrodynamik ist maßgeblich vom Koaleszenzverhalten dieses Stoffsystems abhängig. Beim Einsatz von undestilliertem Butylacetat wirkt sich die verschlechterte Koaleszenzneigung des Stoffsystems in der Ausbildung einer extremen, höhenabhängigen Zunahme des Dispersphasenanteils aus. Aufgrund der hohen Anzahl an einzelnen gerührten Compartments, kommt es schon bei moderaten Rührerdrehzahlen im oberen Teil der Kolonne zu Holdup-Werten nahe am Flutpunkt, während im unteren Teil der Kolonne die Tropfendispergierung unzureichend ist. Bei besser koaleszierenden Systemen ist die Holdup- Problematik in dieser Form nicht zu beobachten. Die Erhöhung der Compartmenthöhe erbrachte eine Steigerung der Belastbarkeit. Wird die freie Querschnittsfläche größer als 30% gewählt, so ist die Kolonne ähnlich belastbar wie eine Pilotkolonne mit Nenndurchmesser 150 mm. Bei den Untersuchungen zum Trennverhalten der Kolonne konnten, wie auch schon in den Arbeiten anderer Autoren, mit steigender Belastung Maxima im Verlauf der Trennwirkung beobachtet werden. Dieses atypische Verhalten der Trennleistung wird bei anderen Testgemischen nicht festgestellt. Eine Reduzierung der Compartmenhöhe wirkt sich im untersuchten Fall förderlich auf die Trennleistung aus. Bei optimalen Betriebsbedingungen liegt die Trennleistung des Miniplantextraktors bei ca. 8,5 Ntheo/m, also deutlich über der Trennleistung der Technikumskolonne. Zur Erklärung dieser erhöhten Trennleistung wurden einphasige Tracerexperimente zur Bestimmung des axialen Dispersionskoeffizienten der kontinuierlichen Phase durchgeführt. Es zeigt sich, dass die gemessenen Dispersionskoeffizienten im Schnitt ca. 3 mal kleiner sind, als in einer Technikumskolonne mit einem Nenndurchmesser von 150 mm. Basierend auf diesen Untersuchungen gelingt es, mit dem eindimensionalen Dispersionsmodell, die in der Kolonne gemessenen Konzentrationsverläufe zu beschreiben. Eine Möglichkeit, den dreidimensionalen Charakter der Strömung in einer Extraktionskolonne zu untersuchen, stellen die durchgeführten CFD-Simulationen dar. Sowohl in der Technikumskolonne, als auch im Miniplantextraktor induziert der Rührer eine torusförmige Strömung in einem Compartment. Ein Vergleich simulierter Axialgeschwindigkeiten mit PIV-Messungen, erbrachte eine zufrieden stellende Übereinstimmung. Die Analyse dieser Axialgeschwindigkeiten auf Stauscheibenhöhe in der Technikumskolonne, zeigt in bestimmten Bereichen deutliche Geschwindigkeitsüberhöhungen und Richtungsumkehr. In der Miniplantkolonne tritt dieser Effekt deutlich abgeschwächt auf, wodurch anzunehmen ist, dass diese "Nichtidealität" die Ursache für größere Dispersionskoeffizienten in Technikumskolonnen ist. Die Kombination aus Gittergröße im Miniplantextraktor und die in der Extraktion üblicherweise zu erwartenden Partikelgröße, beschränkt die Zweiphasensimulation auf die Berechnung des axialen Dispersionskoeffizienten der kontinuierlichen Phase. Die Simulation des Dispersionskoeffizienten der kontinuierlichen Phase, erbrachte mit dem Euler-Lagrange-Modell gute Ergebnisse. Analoge Simulationen mit einem vergrößerten Maßstab (Technikumskolonne mit Nennweite 150 mm) führten dagegen mit beiden Modellen zu deutlichen Abweichungen zu realen Dispersionskoeffizienten. Der für die Bestimmung der Umlaufzahl notwendige radiale Durchsatz des vom Rührer geförderten Volumenstroms, konnte mit CFD gut wiedergegeben werden. Die von Fischer experimentell bestimmten NEWTON-Zahlen werden in den Simulationen etwa 20-30% zu groß wiedergegeben.
The growing computational power enables the establishment of the Population Balance Equation (PBE)
to model the steady state and dynamic behavior of multiphase flow unit operations. Accordingly, the twophase
flow
behavior inside liquid-liquid extraction equipment is characterized by different factors. These
factors include: interactions among droplets (breakage and coalescence), different time scales due to the
size distribution of the dispersed phase, and micro time scales of the interphase diffusional mass transfer
process. As a result of this, the general PBE has no well known analytical solution and therefore robust
numerical solution methods with low computational cost are highly admired.
In this work, the Sectional Quadrature Method of Moments (SQMOM) (Attarakih, M. M., Drumm, C.,
Bart, H.-J. (2009). Solution of the population balance equation using the Sectional Quadrature Method of
Moments (SQMOM). Chem. Eng. Sci. 64, 742-752) is extended to take into account the continuous flow
systems in spatial domain. In this regard, the SQMOM is extended to solve the spatially distributed
nonhomogeneous bivariate PBE to model the hydrodynamics and physical/reactive mass transfer
behavior of liquid-liquid extraction equipment. Based on the extended SQMOM, two different steady
state and dynamic simulation algorithms for hydrodynamics and mass transfer behavior of liquid-liquid
extraction equipment are developed and efficiently implemented. At the steady state modeling level, a
Spatially-Mixed SQMOM (SM-SQMOM) algorithm is developed and successfully implemented in a onedimensional
physical spatial domain. The integral spatial numerical flux is closed using the mean mass
droplet diameter based on the One Primary and One Secondary Particle Method (OPOSPM which is the
simplest case of the SQMOM). On the other hand the hydrodynamics integral source terms are closed
using the analytical Two-Equal Weight Quadrature (TEqWQ). To avoid the numerical solution of the
droplet rise velocity, an analytical solution based on the algebraic velocity model is derived for the
particular case of unit velocity exponent appearing in the droplet swarm model. In addition to this, the
source term due to mass transport is closed using OPOSPM. The resulting system of ordinary differential
equations with respect to space is solved using the MATLAB adaptive Runge–Kutta method (ODE45). At
the dynamic modeling level, the SQMOM is extended to a one-dimensional physical spatial domain and
resolved using the finite volume method. To close the mathematical model, the required quadrature nodes
and weights are calculated using the analytical solution based on the Two Unequal Weights Quadrature
(TUEWQ) formula. By applying the finite volume method to the spatial domain, a semi-discreet ordinary
differential equation system is obtained and solved. Both steady state and dynamic algorithms are
extensively validated at analytical, numerical, and experimental levels. At the numerical level, the
predictions of both algorithms are validated using the extended fixed pivot technique as implemented in
PPBLab software (Attarakih, M., Alzyod, S., Abu-Khader, M., Bart, H.-J. (2012). PPBLAB: A new
multivariate population balance environment for particulate system modeling and simulation. Procedia
Eng. 42, pp. 144-562). At the experimental validation level, the extended SQMOM is successfully used
to model the steady state hydrodynamics and physical and reactive mass transfer behavior of agitated
liquid-liquid extraction columns under different operating conditions. In this regard, both models are
found efficient and able to follow liquid extraction column behavior during column scale-up, where three
column diameters were investigated (DN32, DN80, and DN150). To shed more light on the local
interactions among the contacted phases, a reduced coupled PBE and CFD framework is used to model
the hydrodynamic behavior of pulsed sieve plate columns. In this regard, OPOSPM is utilized and
implemented in FLUENT 18.2 commercial software as a special case of the SQMOM. The dropletdroplet
interactions
(breakage
and
coalescence)
are
taken
into
account
using
OPOSPM,
while
the
required
information
about
the
velocity
field
and
energy
dissipation
is
calculated
by
the
CFD
model.
In
addition
to
this,
the proposed coupled OPOSPM-CFD framework is extended to include the mass transfer. The
proposed framework is numerically tested and the results are compared with the published experimental
data. The required breakage and coalescence parameters to perform the 2D-CFD simulation are estimated
using PPBLab software, where a 1D-CFD simulation using a multi-sectional gird is performed. A very
good agreement is obtained at the experimental and the numerical validation levels.