Experimentelle Untersuchung von Stofftransport und Fluiddynamik bei Rieselfilmströmungen auf mikrostrukturierten Oberflächen

Experimental investigation on mass transfer and fluid dynamics of falling films on micro-structured surfaces

  • In dieser Arbeit ist es erstmalig gelungen den Einfluss mikrostrukturierter Oberflächen auf den flüssigkeitsseitig kontrollierten Stofftransport in Rieselfilmströmungen für den praxisnahen Betriebsbereich technischer Kolonnen für die Rektifikation und die Absorption experimentell zu quantifizieren. Für die CO2-Absorption in verschieden viskosen Silikonölen werden die entscheidenden Prozessparameter, wie die Gas- und Flüssigbelastung sowie die Flüssigkeitsviskosität und die Topographie der MikrosIn dieser Arbeit ist es erstmalig gelungen den Einfluss mikrostrukturierter Oberflächen auf den flüssigkeitsseitig kontrollierten Stofftransport in Rieselfilmströmungen für den praxisnahen Betriebsbereich technischer Kolonnen für die Rektifikation und die Absorption experimentell zu quantifizieren. Für die CO2-Absorption in verschieden viskosen Silikonölen werden die entscheidenden Prozessparameter, wie die Gas- und Flüssigbelastung sowie die Flüssigkeitsviskosität und die Topographie der Mikrostrukturen, systematisch variiert und decken ein weites Anwendungsfeld ab. Die untersuchten Mikrostrukturen besitzen zwei- oder dreidimensionale Formen in der Größenordnung von 1 mm und sind Ausgangsmaterial für industriell eingesetzte strukturierte Packungen. Es kann gezeigt werden, dass das Mikrostrukturdesign einen signifikanten Einfluss auf den flüssigkeitsseitigen Stofftransport besitzt, so dass zum Beispiel der volumetrische Stoffübergangskoeffizient kLA gegenüber einer glatten, geneigten Platte bei jeweils vollständiger Benetzung um bis zu 90% gesteigert werden kann. Der Einfluss des Gasgegenstroms ist wie erwartet positiv für den Stofftransport; unterhalb des Staupunkts überwiegt jedoch der Einfluss der Mikrostrukturen. Zum besseren Verständnis der beobachteten Stofftransportphänomene werden unterschiedliche optische Strömungsmessungen angewendet und weiterentwickelt. Anhand von Filmdickenmessungen mit der Fluoreszenzmethode LIF wird gezeigt, dass die Stofftransporterhöhungen nicht von der Phasengrenzflächenerhöhung dominiert werden. Daraus ergeben sich Steigerungen des flüssigkeitsseitig kontrollierten Stoffübergangskoeffizienten kL für niedrige Viskositäten (1 mm²/s) um 75% sowie für hohe Viskositäten (10 mm²/s) um 30%. Weiterhin werden Geschwindigkeitsmessungen (µPIV) und Farbfadentests durchgeführt, was es ermöglicht die Ursachen der Stofftransportsteigerungen (Zunahme des Flüssigkeitsinhalts, bessere Durchmischung sowie Wirbelbildung im Film) qualitativ richtig zu bestimmen sowie für dreidimensionale Mikrostrukturen im praxisnahen Bereich bisher unveröffentlichte Strömungsphänomene (Strömungstotzonen, Wirbelbildung, spezielle Wellenformationen und Resonanz) zu visualisieren. Zusätzliche Benetzungstests mit wässrigen Lösungen und Silikonölen an geneigten Platten sowie an makrostrukturierten Packungsblechen zeigen im Allgemeinen eine verbesserte Flüssigkeitsverteilung, wenn mikrostrukturierte Oberflächen verwendet werden. Hervorzuheben ist das Ergebnis mit Vorbenetzung der Mikrostrukturen, wodurch bei wässrigen Systemen die benetzte Oberfläche (bei gleicher Mikrostruktur) um den Faktor 2 gesteigert werden kann. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass das Mikrostrukturdesign ein entscheidender Parameter für die Effizienz von Packungsmaterialien bei Rektifikations- und Absorptionsprozessen ist. Diese Arbeit liefert wesentliche Grundlagen für die Weiterentwicklung der Leistungsfähigkeit strukturierter Packungen in der chemischen Industrie.show moreshow less
  • In the present work, the impact of surface textures to liquid-side controlled mass transfer in falling liquid films can be quantified experimentally for the first time close to practical conditions. Hereby, the textured surfaces are samples from industrially used structured packing materials for distillation and absorption processes, which consist of two- and three-dimensional micro-structured topographies in the order of 1 mm. The mass transfer measurements are accomplished by falling film absoIn the present work, the impact of surface textures to liquid-side controlled mass transfer in falling liquid films can be quantified experimentally for the first time close to practical conditions. Hereby, the textured surfaces are samples from industrially used structured packing materials for distillation and absorption processes, which consist of two- and three-dimensional micro-structured topographies in the order of 1 mm. The mass transfer measurements are accomplished by falling film absorption of CO2 into different silicone oils for a wide range of liquid loads and viscosities. It is found that the texture design has a significant influence on the mass transfer eciency, e.g. volumetric mass transfer coecient kLA can be increased up to 90% by a textured surface compared with a at inclined plate. Additionally, counter current gas flow affects the mass transfer positively as expected, but the texture impact is significantly higher. To establish understanding of the observed mass transfer phenomena, different optical flow measurements are exercised and developed further. Film thickness measurements with a fluorescence method (LIF) are applied to estimate liquid hold up and film contour (i.e. gas-liquid interfacial area). It results in the fact that the texture impact on mass transfer is not dominated by an increase of interfacial area. Thus liquid-side mass transfer coecients kL reach about 75% higher values for low viscosities (1 mm2/s) and about 30% higher values for high viscosities (10 mm2/s). Consequently, other flow phenomena have to be responsible for the observed mass transfer enhancement, in particular increased liquid hold up, improved liquid cross mixing and vortex induction. In addition to LIF, velocity measurements (PIV) and tracer tests are accomplished to permit qualitative explanations of the most significant mass transfer results. Overall, several previously unreleased flow phenomena for three-dimensional textures are determined and visualized; it is found for instance that three-dimensional textures may induce stationary eddies, strong dispersion effects, no-flow regions, special wave formations and resonance phenomena. Furthermore, wetting tests with aqueous solutions and silicone oil are performed on complex surfaces, i.e. textured plates and single packing sheets. In general, surface textures improve the liquid spreading on the metal sheets for liquids with both, high and low surface tension. Most significant is the pre-wetting of the surface for aqueous systems, which is leading to an increase of the steady-state wetted surface by a factor of 2 for an aqueous solution, if a three-dimensional texture is used. To sum up, the texture design is a crucial factor for the eciency of packing materials for distillation and absorption processes and this work delivers important basics for further improvement of their separation efficiency in many chemical engineering applications.show moreshow less

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Metadaten
Author: Martin Kohrt
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-35255
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Günter Wozny
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/05/21
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Date of final exam:2012/03/30
Release Date:2012/05/21
Tag:3D Mikrostrukturen; CO2 Absorption; Filmströmung; strukturierte Packungen
3d micro-structures; CO2 absorption; film flow; structured packings
Institutes:Institut für Prozess- und Anlagentechnik
Dewey Decimal Classification:660 Chemische Verfahrenstechnik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)