Theoretische und experimentelle Untersuchung der Rektifikation viskoser Systeme in Packungskolonnen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eugeny Kenig; Professor Dr.-Ing. Stephan Scholl
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 171013438

Das Forschungsvorhaben setzt ein Vorgängerprojekt der Antragsteller zum Einfluss der Viskosität bei der Rektifikation in Packungskolonnen fort. Für das binäre Stoffsystem 2-Methyl-2-Butanol und 2-Methyl-1-Propanol (MB/MP) konnte gezeigt werden, dass bereits bei Viskositäten von 5 mPa s bei Rektifikationsbedingungen die Trennleistung um bis zu 50 % gegenüber dem Referenzsystem Chlorbenzol/Ethylbenzol (CB/EB) absinkt. Unter Verwendung des Ansatzes der Hydrodynamischen Analogien konnte die Trennleistung bis 5 mPa s gut beschrieben werden. Tomographische Untersuchungen für Stoffsysteme mit Viskositäten >= 10 mPa s belegten die Ausbildung einer geänderten Strömungsmorphologie mit zusätzlichen Strömungsformen bei diesen weiter erhöhten Viskositäten. Es kann erwartet werden, dass die für > 10 mPa s gefundene geänderte Strömungsmorphologie auch Auswirkungen auf das fluiddynamische und trenntechnische Verhalten der Packungskolonne hat. In dem hier beantragten Fortsetzungsprojekt soll daher das Stoffsystem durch Zugabe von nichtsiedenden Polymeren für Viskositäten bis ca. 50 mPa s erweitert werden. Ziel ist die Erlangung vertiefter Erkenntnisse zum Einfluss erhöhter Viskosität auf Fluiddynamik und Trennleistung. Dabei werden drei charakteristische Stoffsysteme untersucht: i) CB/EB + Polybutadien so, dass dieselbe Viskosität (5 mPa s) erreicht wird wie bei dem binären MB/MP-System, ii) MB/MP + Polyvinylpyrrolidon zur Einstellung von Viskositäten zwischen 5 mPa s und 50 mPa s, iii) CB/EB + Polybutadien so, dass wieder dieselbe Viskosität erreicht wird wie unter ii). Zur Durchführung der Rektifikationsexperimente wurde eine neue Betriebsweise entworfen, mit der es gelingt, eine definierte und konstante Polymerkonzentration im Trennbereich der Kolonne einzustellen. Dazu ist die Kolonne mit einem endlichen Rücklaufverhältnis zu betreiben. Dies erfordert auch die Etablierung einer neuen Auswertemethode, da die übliche Fenske-Underwood-Methode für ein unendliches Rücklaufverhältnis definiert ist. Diese neue Methode wird es erlauben, die Trennleistung unter Rektifikationsbedingungen bei Präsenz einer nichtflüchtigen Komponente zu ermitteln. Mithilfe tomographischer Untersuchungen wird die Strömungsmorphologie bei erhöhter Viskosität bestimmt und die quantitative Aufteilung der Flüssigkeitsströmung auf die verschiedenen Strömungsformen (Filme, Rinnsale, Tropfen, Zwickelflüssigkeit etc.) quantifiziert werden. Diese bildet die Grundlage der Modellierung des Trennverhaltens mittels Hydrodynamischer Analogien. Im Erfolgsfall gelingt es, allein auf Basis von Stoffdaten, Phasengleichgewichten und unabhängigen tomographischen Messungen die Fluiddynamik und das Trennverhalten bei der Rektifikation viskoser Systeme in Packungskolonnen mittels Hydrodynamischer Analogie bis zu Viskositäten von 50 mPa s vorauszuberechnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen