Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

ERNA - Effiziente Tropfenabscheidung in Flüssig-flüssig-Systemen an Gestricken

Das Haupteinsatzgebiet von Tropfenabscheidern ist die Entfernung von Tropfen aus Gasströmen. Dabei erstrecken sich die Einsatzgebiete über fast alle Industriezweige, wie die Klimatechnik zur Abtrennung von Wassertropfen aus Luftströmen, zur Abluftreinigung oder Verhinderung von Entrainment (Tröpfchenmitriss). Ein weiteres Gebiet für Tropfenabscheider findet man bei der flüssig-flüssig Phasentrennung, wie bei der Extraktion, in zweiphasigen Reaktoren (z.B. kontinuierliche und diskontinuierliche Rührkessel), bei Ölabscheidern, bei der Extraktivdestillation, etc.

Das Ziel des Projektes ist das Prozessverständnis, die Auslegung und standardisierte Versuchsdurchführung für Tropfenabscheidung von Primärdispersionen (Grobtropfenabscheidung, Partikel >100 μm) mit Gestrickabscheidern aufzustellen. Es geht speziell um die verbesserte Grobtropfenabscheidung im Vergleich zum leeren liegenden Abscheider (reiner Schwerkraftabscheider) bzw. der Feinstropfenabscheidung mit Faserbetten. Der wirtschaftliche und technische Vorteil der Untersuchungen ist evident: Hohes Einsparpotential von bis zu 60 % bei Neuinvestitionen und bedarfsgerechte Optimierung bereits bestehender Anlagen. Proportional verringert sich der direkte Energie- und Ressourceneinsatz.

Aufgrund der geringeren Abmessungen und der besseren Effizienz werden optimierte Prozessführungen wie Gegenstromprozesse durch Einsparung von Hilfsstoffen (Wasser, org. Lösungsmittel) begünstigt. Das Einsparpotential im energetischen Einsatz (z.B. Destillation) zur Nachbehandlung/ Regeneration der Hilfsstoffe liegt bei 20 bis 60%.

Das Projekt wird einen wesentlichen Beitrag leisten, um Hersteller, Ingenieurbüros und Anwendern eine Verbesserung ihrer Marktposition im internationalen Wettbewerb zu ermöglichen. Insbesondere seitens der KMU (Kleine und Mittlere Unternehmen) sind Fluide mit extremen Eigenschaften von großem Interesse, beispielsweise solche mit einer sehr hohen Viskositätsdifferenz (> 100 mPas).

Ergebniszusammenfassung:

Zu Beginn des Projektes ERNA herrschte große Unsicherheit bei der Auslegung von Gestrickabscheidern sowie beim Verständnis über die lokalen Phänomene am und im Gestrick. Die Abscheideeffizienz hängt dabei von einer Vielzahl an Einflussgrößen ab, darunter die Einlasstropfengröße, die Abscheiderlänge, die Wicklung, der Fadendurchmesser, die Kombination unterschiedlicher Materialien, die Benetzungseigenschaften, der Druckverlust, etc. Eine automatisierte Prüfapparatur zur Beurteilung von Gestricken wurde entwickelt. Eine gezielte Weiterentwicklung der Messtechnik (neuronale Netzwerke) ermöglicht im Referenzabscheider eine gezielte Einstellung von Tropfengröße und Dispersphasenanteil. Die Detailphänomene der Gestrickabscheidung wurden am Einzelfaden sowie im Gestrick untersucht. Dies erfolgte zudem mittels der CFD Simulation, wobei hier Screeninguntersuchungen zur Parameterabhängigkeit am Einzelfaden entwickelt wurden sowie ein Mehrphasen-CFD Code, der es ermöglicht, die Tropfengrößen innerhalb des Abscheiders aufzulösen. Basierend auf den experimentellen Erkenntnissen im Abscheider, konnte gezeigt werden, dass die Stauhöhe der Dispersion vor dem Gestrick unabhängig von der Gestricklänge ist, diese jedoch entscheiden für den Druckabbau der Stauschicht und die Abscheidung von Feinsttropfen ist.

Zur Auswahl des Gestricks basierend auf einzelnen Versuchen wurde ein Leitfaden erstellt. Die erarbeiteten Modellierungsansätze ermöglichen zudem eine Beurteilung der Gestricklänge, des Druckverlusts sowie der Tropfengrößenabscheidung. Eine erste Korrelation zur Abschätzung des Durchbruchs konnte basierend auf der Einzeltropfenablösung gefunden werden.

Die chemische Industrie als Anwender der Gestrickabscheider profitiert durch ein besseres Prozessverständnis, wodurch Fehler bei der Auswahl, Inbetriebnahme sowie im Betrieb vermieden werden. Die erarbeiteten Apparate dienen zur einheitlichen experimentellen Voruntersuchung (Standardisierung) bei der Abscheider Auslegung.