Trennen im Fliehkraftfeld

Stoffaustauschkolonnen werden häufig in verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt. Leider gehört eine kompakte und flexible Bauweise nicht zu den herausragenden Kolonnenmerkmalen, im Gegenteil, meist beherrschen große Kolonnen das Erscheinungsbild. Ein aussichtsreicher Ansatz zur Reduktion dieser Größe stellt die an der FH Hannover entwickelte Fluidringkolonne dar.

Große Kolonnen, besonders im World-Scale-Format, sind zwar sehr beeindruckend, doch wirkt sich die Größe nachteilig auf die Marktakzeptanz aus. Der schnelllebige Markt erfordert jedoch dynamisch einsetzbare, flexible Anlagen. Um dem gerecht zu werden, wird derzeit viel Arbeit in die Optimierung von Bodenkolonnen und die Entwicklung von hocheffizienten Packungen investiert. Ein besonders Erfolg versprechender Ansatz ist die Verwendung von Fliehkräften, um Stoffaustausch und Fluidtransport im Separationsprozess zu intensivieren, die sogenannte High G Separation Technology (Higee). Die grundlegende Idee, den Stoffaustausch durch Fliehkräfte zu intensivieren, ist schon über 100 Jahre alt. Im Jahre 1905 beschreibt Paul Winand in seiner Patenschrift „Verfahren zum innigen Mischen von Flüssigkeit und Gasen“ eine die Fliehkraft nutzende Siebbodenkolonne. Praktische und theoretische Untersuchungen an sogenannten RPBs (rotating packed beds) wurden dann in den 80er Jahren von Ramshaw und Mallison im Rahmen von Offshore-Anwendungen durchgeführt.

Rotierende Packung

Ein RPB besteht im Wesentlichen aus einer rotierenden Packung, einem Stator mit dem Antriebsmotor und den Zu- und Abführungen für die Flüssigphase und die Gasphase (Bild 1). Die Flüssigphase fließt, unterstützt durch die Fliehkraft, von innen nach außen durch die rotierende Packung, im Gegenstrom streicht die gasförmige Phase über den Flüssigkeitsfilm, es kommt zu einem intensiven Stoffaustausch. RPBs gehören zu den bekannteren und inzwischen gut untersuchten Higee-Apparaturen, sie konnten sich zwar am Markt etablieren, aber der Durchbruch blieb wegen der aufwändigen Konstruktion und dem eng begrenzten Einsatzbereich aus.

Im Rahmen des Forschungsprojektes „Prozessintensivierung einer Rektifikationskolonne“ wurden an der Fachhochschule Hannover (FHH) im Bereich Maschinenbau und Bioverfahrenstechnik weitere Untersuchungen an Higee-Apparaturen durchgeführt. Die augenscheinlichen Nachteile von RPBs, wie beispielsweise aufwändige Dichtungen, feinporige Packungen verbunden mit erhöhter Verschmutzungs- und Verstopfungsgefahr und die nicht konstante Fluiddurchtrittsfläche, welche nur eine begrenzte Anzahl der zu realisierenden Böden pro rotierender Packung erlaubt, führte zu dem Konzept der Fluidringkolonne (FRK).

Sie ist im Gegensatz zu den RPBs eine Bodenkolonne, in der der Stoffaustausch über Dispergierung des leichteren Fluids in dem schwereren Fluid erfolgt (Bild 2). Wie bei einer herkömmlichen Bodenkolonne besitzt die FRK einzelne, klar abgegrenzte Austauschböden, die den Phasentransport, die Phasentrennung und den Stoffaustausch übernehmen. Jeder Boden besteht aus einem Rotor und einem Stator. Essentiell ist jedoch der sich im Betrieb einstellende rotierende Fluidring. Er transportiert das schwerere Fluid zum nächsten FRK-Boden, sorgt für eine gute Phasentrennung und dichtet das leichtere Fluid gegenüber den benachbarten FRK-Böden ab.

Durch die kraftschlüssige Verbindung der Antriebswelle mit dem Rotor, einer kreisförmigen Scheibe mit Dispergierbohrungen, wird dieser in Drehung versetzt. Bei ausreichender Rotordrehzahl entsteht ein aus dem schweren Fluid bestehender Fluidring, der durch die Statorinnenwand und die beiden Statorböden begrenzt wird. Der in den Fluidring eintauchende Rotor teilt aufgrund der Dichtwirkung den FRK-Boden und damit den Fluidring in eine Eintritts- und eine Austrittszone für das leichtere Fluid. Das schwere Fluid des Fluidringes wird am nicht rotierenden Stator, bestehend aus Statormantel und den beiden Statorböden, durch Flüssigkeitsreibung abgebremst, mit der Wirkung, dass das Fluid in Statornähe langsamer rotiert. Die Fliehkraftwirkung ist somit durch die bremsenden Kräfte in der Nähe des Stators kleiner und durch die beschleunigenden Kräfte am Rotor größer. Dadurch entstehen die typischen roll- und spiralförmige Fluidströmungen, die in der Nähe des Rotors nach außen und in der Nähe der Statorböden nach innen gerichtet sind.

Unterschiedliche Fliehkräfte

Aufgrund der verschiedenen Spaltbreiten an der Ein- und Austrittszone sind die bremsenden und beschleunigenden Kräfte unterschiedlich. Das führt in Verbindung mit dem Differenzdruck des leichteren Fluids dazu, dass sich die Fluidringe auf der Eintritts- und Austrittszone unterschiedlich stark ausprägen. Wird der Lochkreis der Dispergierbohrungen des Rotors nur vom Fluidring der Austrittszone abgedeckt, strömt das leichte Fluid vom Eintrittsbereich durch die Dispergierbohrungen in den Fluidring der Austrittszone, hier kommt es aufgrund sehr großer Turbulenzen und den großen Phasengrenzflächen, bedingt durch kleine Blasen oder Tröpfchen, zu einer sehr innigen Dispergierung. Die spiralförmigen Strömungen innerhalb des Fluidringes wirken sich günstig auf die Turbulenzen und auf die Verweilzeit aus. Der Fluidring gewährleistet nicht nur einen effektiven Stoffaustausch, sondern der im Ring herrschende Druck wird gleichzeitig zum Transport des schweren Fluids genutzt. Der herrschende Druck kann über die Drehzahl und der Ringdicke geregelt werden. Bei dieser selbstregelnden, konstruktiv einfachen Lösung strömt das schwere Fluid durch den Statorboden zum nächsten FRK-Boden. Eine aufwändigere, aber wesentlich flexibler und dynamischer zu handhabende Ausführung besteht in einem für jeden FRK-Boden einzeln gesteuerten Fluidstrom. Entscheidend für einen guten Bodenwirkungsgrad ist nicht nur der Stoffaustausch, sondern auch die anschließende Phasentrennung. Nach der Dispergierung tritt das leichtere Fluid wegen des Dichteunterschieds aus dem Fluidring aus und strömt durch die Auslassöffnung des leichten Fluids zum nächsten Boden. Mitgerissene Teilchen des schweren Fluids werden durch Zentrifugalkraft wieder nach Außen in den Fluidring geschleudert.

Horizontale Einbaulage

Im Rahmen der praktischen Untersuchungen des Forschungsprojekts wurde zuerst ein Funktionsmodell mit einem FRK-Boden gebaut. Das Funktionsmodell besteht aus einem 12-kW-Verdampfer, einem FRK-Boden mit einem inneren Durchmesser von 120 mm und einem Kondensator. Der FRK-Boden erlaubt die Verstellung des Rotorspaltes, der Trennstufenhöhe, der Rotordrehzahl und der Fluidringdicke. Die ersten Trennversuche mit dem Zweistoffsystem Methanol/Wasser unter Normaldruck zeigten gute Trennleistungen. Durch optimieren und anpassen des FRK-Bodens konnte die anfangs große Verschleppung der Flüssigkeit durch die Dampfphase deutlich reduziert werden. Die anschließend durchgeführten Tests mit dem Zweistoffsystem Luft/Wasser bestätigten die Wirksamkeit der durchgeführten Optimierung. Bild 3 zeigt anhand eines Konturdiagramms die Verschleppung von Wasser durch die Luft in Abhängigkeit von der Luft- und Wassermenge, die Versuche wurden mit einer Bodenhöhe von 30 mm durchgeführt, das entspricht einem Trennstufenvolumen von etwa 340 cm³. Interessant ist das Auftreten eines Maximums bei der Verschleppung der schweren Phase. Bei einer 10%-igen Verschleppung stellt sich zum Beispiel bei einer Wassermenge von 290 kg/h und einer Luftmenge von 115 kg/h ein Maximum ein. Die Erkenntnisse und Erfahrungen des Funktionsmodells waren Konstruktionsbasis für eine zweite Fluidringkolonne (Bild 4). Diese bewusst einfach gehaltene 4-stufige Versuchskolonne soll schwerpunktmäßig Einblicke und Erkenntnisse über die Lageunabhängigkeit, den Strömungsverlauf zwischen den Böden, die Regelmöglichkeiten und den Arbeitsbereich einer FRK liefern. Das Konzept der Fluidringkolonne zeigte schon bei den ersten praktischen Untersuchungen sehr vielversprechende Resultate, beispielsweise bei der Lageunabhängigkeit, dem Bodenwirkungsgrad und dem großen Arbeitsbereich. Weiterhin wurde ein ausgezeichnetes Verhalten bei Schaumbildung festgestellt. Die besonderen Merkmale wie einfacher, kompakter und modularer Aufbau, das zu- und abführen von Wärme über den Statormantel, das einfache Abziehen von Fluid über den Druckunterschied im Fluidring und die Lageunabhängigkeit zeigen ein weites Anwendungsspektrum auf.

cav 486

Alois Rolfes