Verweilzeit von Einzeltropfen in gerührten Extraktionskolonnen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Tropfenpopulationsbilanzen-Tools bieten das Potential einer schnellen und effizienten Optimierung der Kompartmentgeometrie entlang von Kühni-Extraktionskolonnen. Um dieses Potential sicher zu nutzen, ist ein quantitatives Verständnis zum Einfluss der Kompartmentgeometrie und von Betriebsgrößen wie Drehzahl und kontinuierlicher Gegenstrom auf die mittlere Tropfenverweilzeit und die Verweilzeitverteilung notwendig. Im Rahmen dieses Projekts wurde mithilfe von Einzeltropfenmessungen in speziell konzipierten Labormesszellen mit Kühni-Kompartments der Effekt von Geometrie und Betriebsgrößen auf die Verweilzeiten von Tropfen verschiedener Durchmesser systematisch untersucht. Dabei wurden für jeden Betriebspunkt die Bewegungen von bis zu 100 Einzeltropfen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen. Bei der Analyse der Videoaufnahmen wurden Tropfenverweilzeiten sowohl für das Gesamtkompartment als auch für drei verschiedene Kompartmentzonen ausgewertet. Diese Kompartmentzonen sind die Zone 1 zwischen unterem Stator und Rührer, die Rührer-Zone 2 und die Zone 3 zwischen Rührer und oberem Stator. Des Weiteren wurden Effekte wie Tropfenrückvermischung zwischen Kompartmentzonen und Kompartments sowie Phänomene wie Rührer- und Statorkontakt der Tropfen quantitativ ausgewertet. Diese detaillierte Auswertung des Tropfenverhaltens im Kompartment hat u.a. gezeigt, dass die mittlere Tropfenverweilzeit in der oberen Kompartment-Zone 3 bis zu viermal länger ist als in der unteren Zone 1. Es wurde dann gezeigt, dass eine Reduzierung der Kompartmenthöhe von 20% bei gleichzeitiger asymmetrischer Positionierung des Rührers im Kompartment möglich ist, ohne dass sich die mittlere Tropfenverweilzeit maßgeblich ändert. Dies bedeutet, dass die Trennleistung von Kühni-Kolonnen durch eine solche Geometrieanpassung möglicherweise um bis zu 20% optimiert werden kann. Die Behauptung aus der Literatur, dass der Verzögerungsfaktor unabhängig vom Stoffsystem sei, konnte durch Tropfenverweilzeit-Experimente mit einer viskosen kontinuierlichen Phase wiederlegt werden. Es wurde des Weiteren gezeigt, dass für Stoffsysteme mit ähnlicher Dichtedifferenz und Viskosität der Verzögerungsfaktor in der Tat stoffsystemunabhängig zu sein scheint. Auf Basis der experimentellen Erkenntnisse wurde das Zone-Walk-Modell zur Beschreibung der Tropfen-Verweilzeitverteilung in Kühni-Kompartments entwickelt. Das Modell besteht aus 3 Untermodellen, eins für jede Zone. Es wurde gezeigt, dass mit dem Zone-Walk-Modell die Tropfenverweilzeiten in Kühni Kompartments nicht nur für die untersuchten Kompartmentgeometrien und Betriebsgrößen (187 Bebriebspunkte) mit guter Genauigkeit beschrieben werden können, sondern dass das Modell auch erfolgreich auf weitere Kompartmentgeometrien und Stoffsysteme aus der Literatur extrapolierbar ist. Abschließend wurde das Zone-Walk-Modell in das Tropfenpopulationsbilanzen-Tool „ReDrop“ implementiert und durch einen Abgleich von Simulationsergebnissen und Literaturdaten für zwei Kühni-Kolonnen im Technikumsmaßstab erfolgreich validiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Geometrieoptimierung von gerührten Extraktionskolonnen. ProcessNet Jahrestagung 2012, Karlsruhe, 10-13.09.2012
Buchbender, F. und Pfennig, A.
- Verweilzeit von Einzeltropfen in Kolonnen mit geführten Kompartments. Jahrestreffen der Fachgruppe „Extraktion“ und des Fachausschusses „Phytoextrakte - Produkte und Prozesse“, Clausthal Zellerfeld, 18-20.04.2012
Buchbender, F. und Pfennig, A.
- 2013: Single-Drop-Based Modelling of Drop Residence Times in Kühni Columns. Dissertation, RWTH Aachen University
Buchbender, F.
