Schlanke Kolonne im Visier

Kurt Schwämmlein

Im Bereich des Stoff- und Wärmeaustausches finden Füllkörper für die verschiedensten verfahrenstechnischen Operationen wie Absorption, Desorption, Rektifikation u.a. thermische Trennverfahren Verwendung. Nach wie vor wird insbesondere der seit vielen Jahrzehnten bewährte Pall-Ring eingesetzt. Moderne Hochleistungsfüllkörper weisen gegenüber diesem jedoch einen deutlich niedrigeren Druckverlust bei ähnlicher Stoffaustauschleistung auf. Bei Entwicklungsvorhaben für neue Füllkörperprototypen ist dies natürlich zu berücksichtigen. Dennoch sollte bei der Suche nach Füllkörpertypen mit niedrigstem Druckverlust darüber hinaus neben der hohen Stoffaustauschleistung auch der Produktionsaufwand für die Füllkörper im Auge behalten werden.

Zur Weiterentwicklung metallischer Füllkörper (Bild 1) wurden von den Vereinigten Füllkörper-Fabriken verschiedene Füllkörperprototypen (VFF-P) hergestellt und am Lehrstuhl für Verfahrens- und Umwelttechnik der Ruhr-Universität Bochum gegen den Pall-Ring als Referenz vermessen. Dazu wurden drei verschiedene Grundformen mit deutlich unterschiedlicher Geometrie herangezogen und in systematischer Weise verändert. VFF-P05 bildet die Ausgangsgeomtrie für die Entwicklungsreihe VFF-P05, VFF-P04, VFF-P03 und VFF-P28, VFF-P24 entsprechend für die Reihe VFF-P24 und VFF-P30 sowie VFF-P29 entsprechend für die Reihe VFF-P29, VFF-P27 und VFF-P26. Hieraus ausgewählte Prototypen sind in Bild 2 für das Nennmaß 2“ (50 mm) dem Pall-Ring-2“-M (Metall) hinsichtlich des spezifischen Druckverlusts gegenübergestellt. Anhand dieser verschiedenen Formen kann nun durch den Vergleich der gemessenen Druckverluste eine Auswahl getroffen werden, bei welchen Geometrien eine Weiterverfolgung am sinnvollsten ist. Aus Bild 2 ist klar erkennbar, dass dies für die Prototypen VFF-P28 und VFF-P30 der Fall ist, da diese Prototypen mit Abstand den niedrigsten Druckverlust aufweisen. Dagegen ist der in Bild 2 nicht dargestellte VFF-P26 weniger interessant, da seine Druckverlustkurven für alle Berieselungsdichten in der Lücke zwischen der des VFF-P24 und der des VFF-P28 liegen.

Die Prototypen VFF-P28 und VFF-P30 lassen sich gegenüber dem Pall-Ring sehr viel höher belasten, da beide einen jeweils um über 70 % niedrigeren spezifischen Druckverlust aufweisen. Daher können diese Prototypen bei einer Berieselungsdichte von 30 m3/(m2 h) auch noch jeweils bei Gasbelastungsfaktoren (F-Faktor) von fast bis zu 4 Pa0,5 betrieben werden. Bei einer Berieselungsdichte von 10 m3/(m2 h) ist im Betrieb je ein Gasbelastungsfaktor von fast 4,5 Pa0,5 möglich, bei einer Berieselungsdichte von 100 m3/(m2 h) ist ein Betrieb je mit einem Gasbelastungsfaktor bis knapp 2,5 Pa0,5 möglich.

Die Messungen zum Stoffaustausch sind wichtig, um die, beispielsweise für eine Absorption oder Strippung eines Stoffes, notwendige Schütthöhe eines Füllkörpers ermitteln und beurteilen zu können. Für die Berechnung der Schütthöhe H wird hier üblicherweise das NTU-HTU-Modell benutzt. Die Schütthöhe H ergibt sich durch die Multiplikation von NTU mit HTU (NTU: Number of Transfer Units = Zahl der Übergangseinheiten; HTU: Height of one Transfer Unit = Höhe einer Übergangseinheit). Üblicherweise wird dabei unterschieden, ob der Gesamtdurchtrittswiderstand auf der Gasseite liegt und bei NTU sowie HTU durch den Index „ov“ (overall vapor) zum Ausdruck gebracht wird oder ob der Gesamtdurchtrittswiderstand auf der Flüssigkeitsseite liegt und bei NTU sowie HTU durch den Index „oL“ (overall liquid) kenntlich gemacht wird (siehe hierzu auch: K.Sattler, Thermische Trennverfahren, Wiley-VCH Verlag, 2001). Während der NTU-Wert selbst unabhängig vom Füllkörper ist und somit keine Aussage zur Leistungsfähigkeit eines Füllkörpers liefert, ermöglicht ein Vergleich der gemessenen HTU-Werte, für welchen Füllkörper die insgesamt niedrigste Schütthöhe für eine bestimmte Trennaufgabe resultiert.

Um gegenüber dem Pall-Ring-2“-M (Metall) einen direkten Vergleich für die Absorption und Desorption zu ermöglichen, wurden verschiedene Prototypen in Abhängigkeit des Gasbelastungsfaktors und der Berieselungsdichte am Lehrstuhl für Verfahrens- und Umwelttechnik der Ruhr-Universität Bochum vermessen und in den Bildern 3 und 4 grafisch dargestellt. Dabei wurde mit den üblichen Modellsystemen für die Absorption (Absorption von NH3 aus Luft mit Wasser) und für die Desorption (CO2-Strippung aus Wasser mit Luft) bei Standardbedingungen (20 °C; 1 bar) gearbeitet. Bild 3 stellt einen Vergleich der HTUov-Werte (NH3-Absorption) verschiedener Füllkörperprototypen aus Metall gegenüber dem metallischen Pall-2“-Ring für verschiedene Gasbelastungsfaktoren Fv bei einer Berieselungsdichte von 20 m3/(m² h) dar. Der Kolonnendurchmesser beträgt 0,288 m. Die Daten für den Pall-2“-M dienen als Referenz, stammen aber aus anderen Anlagen. Dasselbe gilt auch für die Daten für den Pall-2“-M in Bild 4. Bild 4 zeigt einen Vergleich der HTUoL-Werte (CO2-Desorption) verschiedener Füllkörperprototypen aus Metall gegenüber dem metallischen Pall-2“-Ring für verschiedene Gasbelastungsfaktoren Fv bei einer Berieselungsdichte von 20 m³/(m² h). Der Kolonnendurchmesser beträgt ebenfalls 0,288 m. Aus den Bildern 3 und 4 ist ersichtlich, dass die Prototypen VFF-P28 und VFF-P30 bei der Absorption und der Desorption zusammen betrachtet dem Pall-Ring gegenüber signifikante Vorteile aufweisen. Betrachtet man zudem Bild 2 kommt der Gesamtvorteil für diese beiden Prototypen noch deutlicher zum Ausdruck: Die Prototypen VFF-P28 und VFF-P30 ermöglichen niedrige Schütthöhen bei niedrigsten Druckverlusten, d. h. es ist ohne zusätzliche Schütthöhe ein geringerer Kolonnendurchmesser als mit Füllkörpern heutiger Bauart möglich. Der letzte Schritt ist nun das Umsetzen dieser sehr positiven Eigenschaften in eine kostenoptimierte Produktion, um Interessenten in naher Zukunft einen Hochleistungsfüllkörper zu attraktiven Preisen anbieten zu können.

cav 493

Mehr über die Füllkörper

LVU an der Ruhr-Universität Bochum

Literatur

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