Teilprojekt 4 (AiF)

Prozess- und Apparatedesign bei der Verdampfung schaumfähiger Stoffsysteme

Motivation
Bei der Verdampfung bildet sich inhärent eine Dampf- aus einer Flüssigphase, womit praktisch immer die Schaumbildung begünstigende Randbedingungen gegeben sind. Der zur Verdampfung erforderliche Transport thermischer Energie kann dabei auf unterschiedliche Weisen geschehen. Meist erfolgt die Dampfblasenbildung durch indirekte Wärmeübertragung in einem Verdampfer. Auf den trennwirksamen Einbauten einer Kolonne, d. h. Böden, regellosen Schüttungen oder geordneten Packungen, erfolgt die Dampfphasenbildung durch gekoppelte Wärme- und Stoffübertragung: Der aufsteigende Dampf kondensiert partiell und die frei werdende Kondensationswärme verdampft einen Teil der Flüssigkeit. Dabei scheinen eine Schaumbildung begünstigende Komponenten fast immer Hochsieder zu sein. Schaumbildung tritt in einer Kolonne fast bevorzugt an der Zulaufstelle, im Abtriebsteil und besonders bevorzugt im Sumpfbereich plus Verdampfer auf. Dieses Teilprojekt adressiert daher die Schaumbildung bei der Verdampfung als technisch besonders relevante Problemstellung.

Forschungsziel und Arbeitshypothese
Dieses Teilprojekt des Forschungsclusters zielt auf die Erprobung, Charakterisierung und Bereitstellung apparativer, betrieblicher und additiver prozessinvasiver Maßnahmen zur Vermeidung oder Beherrschung von Schaumbildung bei der Naturumlaufverdampfung. Die dazu erforderlichen experimentellen und theoretischen Arbeiten basieren auf folgender Arbeitshypothese: Die im großtechnischen Maßstab relevanten apparativen und betrieblichen Einflussgrößen auf die Schaumbildung unter Siedebedingungen können unter Beachtung geeigneter spezifischer Charakterisierungsgrößen im Miniplantmaßstab nachgestellt werden (Scale-down). Dabei wird erwartet, dass bei der Schaumbildung unter Siedebedingungen zusätzliche Einflussfaktoren gegenüber einer adiabaten Schaumbildung relevant sind, so z. B. die Intensität des Energieeintrags, gemessen in der Wärmestromdichte q [kW/m2], oder die Führung und Einleitung des Zweiphasengemisches aus Dampf und Flüssigkeit von Verdampfer in den Brüdenabscheider. Darauf aufbauend können an der Miniplantverdampferanlage Bedingungen, Gestaltungsweisen und prozessinvasive Maßnahmen zum Schaummanagement charakterisiert und bewertet werden. Dabei gefundene vorteilhafte Gestaltungs- und Betriebsweisen zeigen auch im größeren Maßstab eine schaumbeherrschende Wirkung (Scale-up). Dies kann insbesondere durch die geeignete Wahl spezifischer Kenngrößen (Stichlmair, 2002; Zlokarnik, 2005) sowie deren Absicherung in Übertragungsexperimenten an der Technikumsanlage in TP7 verifiziert werden.

Versuche, Modelle und Ansätze
Die experimentellen Untersuchungen erfolgen an einer Miniplantanlage, die alle wesentlichen Funktionselemente eines technischen Naturumlaufverdampfers umfasst, siehe Abb. 1. Ein Naturumlaufverdampfer wird gewählt, weil diese Bauform als pumpenloser Selbstumlauf arbeitet und daher als kostengünstiger Verdampfer in vielen der hier betrachteten Anwendungsfälle, als Sumpfverdampfer an Rektifikations- und Desorptionskolonnen oder als Eindampfstufe, eingesetzt wird. Apparategröße und Bauform sind in Anlehnung an typische Apparate in integrierten Miniplantanlagen gewählt. Diese stellen die zentrale experimentelle Plattform bei der grundlegenden Überarbeitung bestehender und Ausarbeitung neuer Produktionsverfahren dar (Goedecke, 2006; Deibele 2006). Darin werden insbesondere auch Rückführungen und Kreisläufe geschlossen, um auch die Anreicherung von Neben- und Spurenkomponenten zu erfassen. Schaumbildung wird oft durch solche angereicherten Spurenkomponenten ausgelöst oder befördert (Kister, 2006). In dem Teilprojekt werden dabei die in TP5 an der Schaummesszelle gewonnenen Erkenntnisse einbezogen und bezüglich ihrer Übertragbarkeit auf die Schaumbildung unter Siedebedingungen bewertet.

Abbildung 1: Miniplant-Naturumlaufverdampfer (Kuschnerow, 2013)

 

Ergebnisse

Forschungsstelle
Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Technische Universität Braunschweig

Institutsleiter: Prof. Dr. Stephan Scholl
Projektleiter: Dr. Katharina Jasch
Mitarbeiter: Laura Strodtmann, M.Sc.

Literaturverzeichnis
-Stichlmair, J., 2002. Scale-up Engineering. Begell House.
-Zlokarnik, M., 2005. Scale-up: Modellübertragung in der Verfahrenstechnik. Weinheim: Wiley-VCH Verlag.
-Goedecke, R., 2006. _Fluidverfahrenstechnik. Weinheim: Wiley VCH-Verlag
-Deibele, L., Dohrn, R., 2006. Miniplant-Technik in der Prozessindustrie. Wiley VCH, Weinheim.
Kister H. Z., 2006. Distillation Troubleshooting. Hoboken, NJ., s.l.: AIChE.
Kuschnerow, J. C., Titze-Frech, K., Wasserscheid, P., Scholl, S., 2013. Continuous Transesterification with acidic Ionic Liquids as homogeneous catalysts. Chem. Eng. Technol. 36(10): pp. 1643 – 1650.