Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik (TVT)

Hydrodynamik und Stofftransfer in Extraktionskolonnen

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Allgemein

Die Flüssig-Flüssig-Extraktion ist ein in der chemischen Industrie sehr häufig angewendetes Trennverfahren. Anwendungsgebiete liegen unter anderem in der Abwasserreinigung, Metallsalzextraktion und Säurerückgewinnung. Im Vergleich zu den häufig verwendeten Mixer-Settler-Anlagen, haben kontinuierlich betriebene Flüssig-Flüssig-Extraktionskolonnen den Vorteil, dass hohe Durchsätze und Stufenzahlen auf kleinem Bauraum realisiert werden können. Jedoch stellt die Modellierung von Hydrodynamik und Stoffaustausch aufgrund der komplexen Mehrphasenströmung innerhalb der Kolonnen eine große Herausforderung dar. Die angewendeten mathematischen Modellierungsansätze basieren daher auf den Ergebnissen umfassender experimenteller Untersuchungen von Einzeltropfen und Tropfenschwärmen in Extraktionskolonnen.

Zur Erweiterung bereits vorhandener Daten, erfolgt im Rahmen umfassender experimenteller Untersuchungen eine Betrachtung mehrerer reaktiver und nicht reaktiver EFCE Standard-Testsysteme (u.a. ZnSO4/D2EHPA/Kerosin, Toluol/Aceton/Wasser).

Kolonnenhydrodynamik

Als bestimmende Parameter der Kolonnenhydraulik gelten sowohl  der Volumenanteil der dispersen Phase (Holdup), als auch die Größenverteilung der sich durch die Kolonne bewegenden dispergierten Tropfen. Beide Größen bestimmen die Grenzfläche zwischen disperser und kontinuierlicher Phase innerhalb einer Extraktionskolonne und haben somit einen maßgeblichen Einfluss auf den stattfindenden Stoffaustausch.

Der Holdup hängt von der Verweilzeit der Tropfen innerhalb der Kolonne ab. Die Tropfenverweilzeit wird wiederum durch die Aufstiegs- oder Absinkgeschwindigkeit der dispergierten Tropfen, sowie durch Schwarmeffekte und axiale Dispersion beider Phasen beeinflusst. Die Tropfengrößenverteilung innerhalb einer Kolonne wird durch Tropfeninteraktionen wie Zerfall und Koaleszenz festgelegt.

Um diese komplexen Zusammenhänge im Einzelnen zu betrachten, werden Testzellen und Kolonnen im Technikumsmaßstab zur experimentellen Untersuchung von Tropfenzerfall, Tropfenkoaleszenz, axialer Dispersion und Tropfenbewegung als Einzeltropfen und im Schwarm verwendet. Eine detaillierte Untersuchung der Kolonnenhydrodynamik als Ganzes erfolgt an gerührten und gepulsten Kolonnen im Miniplant-, sowie im Pilot-Plant-Maßstab. Die erhaltenen experimentellen Ergebnisse ermöglichen eine Validierung, sowie die Erweiterung vorhandener mathematischer Modellierungsansätze zur numerischen Simulation von Flüssig-Flüssig-Extraktionskolonnen.

Stoffaustausch

Der wichtigste Faktor zur Dimensionierung von Flüssig-Flüssig Extraktionskolonnen ist der stattfindende Stoffaustausch. Bei der konventionellen Extraktion erfolgt dieser durch Diffusion infolge eines treibenden Konzentrationsgefälles des Wertstoffes zwischen Feed- und Solventstrom. Bei der Reaktivextraktion findet neben dem Stofftransfer durch Diffusion auch eine chemische Reaktion statt, was die Modellierung erheblich erschwert.

Zur Validierung und Erweiterung vorhandener mathematischer Modellierungsansätze werden experimentelle Untersuchungen an  Einzeltropfen des Tropfenschwarms und in Kolonnenversuchen mit überlagertem Stofftransport durchgeführt.

 

 

 

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