Numerisches Berechnen und tomographisches Messen zweiphasiger Strömungsfelder in geordneten Schichtungen (PDF)

Mit geordneten oder ungeordneten Schichtungen ausgerüstete Apparate werden häufig zum Trennen flüssiger Gemische in deren Komponenten eingesetzt. Um größtmögliche Konzentra-tionsdifferenzen für die zu übertragenden Stoffströme zu erhalten, werden sie im Gegenstrom von Gas und Flüssigkeit betrieben. Hierbei können Ungleichverteilungen der Phasen und Instabilitäten im Strömungsfeld auftreten, die den Stoffaustausch zwischen den Phasen beeinflussen. Ziel der Forschungsarbeit ist es, für das zeitveränderliche, räumliche Strömungs-feld in Schichtungen technischer Abmessungen eine geeignete Modellbildung vorzunehmen und es auf numerischem Wege zu berechnen.
Für die Modellbildung wird die Schichtung in Elementarzellen unterteilt. Die Erhaltungsglei-chungen der Masse und des Impulses werden mit Hilfe der über eine Elementarzelle gemittelten Parameter formuliert. Geordnete Schichtungen weisen durch ihre Kanalstruktur ausgeprägte Vorzugsrichtungen für das Strömungsfeld auf. Der Druckverlust der Gasphase wird mit Hilfe eines richtungsabhängigen Widerstandsbeiwerts beschrieben. Um die radiale Ausbreitung des Flüssigkeitsstroms entlang der bevorzugten Strömungsrichtungen wiederge-ben zu können, wird die flüssige Phase durch zwei Teilphasen ersetzt. Die Impulsstromdich-ten, die unterhalb und oberhalb der Staugrenze auf jede der flüssigen Teilphasen wirken, werden ähnlich dem Flüssigkeitsfilm auf einer geneigten Ebene berechnet.
Messungen werden für die strukturierte Packung MELLAPAK 250.Y (PP) der Firma Sulzer mit Wasser und Luft durchgeführt. Der richtungsabhängige Strömungswiderstand der Gasphase wird in kanalförmigen Schichtungssegmenten gemessen und numerisch berechnet. Für die Berechnung dient die röntgentomographisch gescannte Oberflächenform als Randbedingung. Der Flüssigkeitsinhalt in einer zylindrischen und in einer zweidimensionalen Schichtung wird mit Hilfe der Röntgentomographie und der Röntgenprojektion ortsaufgelöst gemessen. Die Flüssigkeit wird gleichverteilt oder punktförmig eingespeist. Um Stromlinien im geschlossenen Flüssigkeitsfilm sichtbar zu machen, wird punktförmig ein Röntgenkon-trastmittel als Spurstoff zugeführt.
Die Bilanzgleichungen des Berechnungsmodells werden mit Hilfe des Strömungssimulations-programms CFX 10.0 gelöst. Die modellierte Schichtung weist den Durchmesser von 0,288 m auf und besteht aus vier jeweils um 90° gedrehten Packungselementen des Typs MELLAPAK
250.Y (PP). Es werden Strömungsfelder für den Gegenstrom von Wasser und Luft berechnet. Für die gleichverteilte Flüssigkeitsaufgabe wird für zunehmende Volumenstromdichten des Gases der Anstieg des Druckverlustes und des Flüssigkeitsinhalts berechnet. Der erhöhte Flüssigkeitsinhalt an den Stößen zwischen zwei Packungselementen und die Ausbreitung des punktförmig eingespeisten Flüssigkeitsstroms stimmen mit Messungen überein. Für die punktförmige Einspeisung von Flüssigkeit in die luftgefüllte Schichtung wird das instationäre Strömungsfeld berechnet. Dies bestätigt die Eignung des Modells zur Vorhersage von zeitveränderlichen Strömungsfeldern auch für extreme Ungleichverteilungen der Phasen.