Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1479
Main Title: Experimentelle Untersuchungen mehrphasiger Filmströmungen
Translated Title: Experimental Investigations on Multi-Phase Film Flows
Author(s): Ausner, Ilja
Advisor(s): Wozny, Günter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In zahlreichen verfahrenstechnischen Prozessen finden Filmströmungen ihre Anwendung, da sie dem Energie- und Stofftransport eine große Oberfläche bei einem vergleichsweise geringen Volumen zur Verfügung stellen. Hierbei überströmt in den meisten Fällen eine flüssige Phase eine feste Oberfläche und tritt mit einer Gas- bzw. Dampfphase in Kontakt. Derartige Strömungsverhältnisse sind bislang recht gut untersucht und verstanden worden. Die Komplexität der Strömung nimmt jedoch stark zu, sobald eine zweite flüssige Phase auftritt. Diese mehrphasige Strömungsform entsteht z.B. bei der Trennung von heterogenen Azeotropen mit Hilfe der Dreiphasenrektifikation in Packungskolonnen. Dabei konnte beobachtet werden, dass sich häufig ein Strömungsverhältnis aus Rinnsal- und Tropfenströmung für die eine flüssige Phase und Filmströmung für die andere flüssige Phase einstellt. Um derartig komplexe Strömungsformen verstehen und beschreiben zu können, sind strukturierte experimentelle Untersuchungen notwendig, wie sie in dieser Arbeit beschrieben werden. Die mehrphasige Filmströmung lässt sich anhand geeigneter Parameter charakterisieren. Hierzu werden die Oberflächengeschwindigkeit, die Fluiddicke sowie die Schattenfläche ausgewählt. Um diese Messgrößen erfassen zu können, werden etablierte optische Strömungsmessmethoden wie PTV und LIF zuerst für den Fall der einphasigen Strömungen mit Wasser und Toluol auf geneigten Edelstahlplatten sowie Packungsblechen eingesetzt und anschließend für die zweiphasige Flüssigkeitsströmung weiterentwickelt. Die Ergebnisse der einphasigen Filmströmung weisen im Vergleich zu Literaturdaten gute Übereinstimmungen auf. Zusätzlich werden die experimentellen Befunde mit Ergebnissen aus CFD-Simulationen verglichen. Für die mehrphasigen Strömungsuntersuchungen wird das System Wasser-Toluol auf geneigten Stahlplatten als Referenzsystem analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich beide Flüssigkeiten gegenseitig überlagern, wodurch es zu starken Wechselwirkungen zwischen beiden Phasen kommt. Diese Wechselwirkungen führen einerseits zu einer Verlangsamung der Strömung im Vergleich zur Strömung mit nur einer flüssigen Phase. Andererseits werden sonst chaotisch strömende Wasserrinnsale durch die Anwesenheit von Toluol stabilisiert. Ebenso werden die Ergebnisse bezüglich der Flüssigkeitsgeschwindigkeit und Schattenfläche von der CFD-Simulation wider gegeben. Die so gewonnenen Erkenntnisse helfen dabei, die in Packungskolonnen beobachteten Effekte bezüglich Trennwirksamkeit besser zu verstehen und erklären zu können.
In chemical engineering processes, liquid film flows are of special interest due to a small volume compared to a large surface. Single-liquid film flows were and are the focus of past and current research and are quite well understood so far. But the flow behavior becomes more complex with the appearance of a second liquid phase as it can be observed e.g. in the distillation of heterogeneous azeotropic mixtures in packed towers - also known as three-phase distillation. The occurance of a second liquid phase changes the liquid flow behavior, which has a strong influence on the separation performance of the tower and that makes the modeling of the three-phase distillation process much more difficult. The multiphase flow behavior is a very complex system of rivulet and droplet flows for one liquid phase and film flow for the second liquid phase on structured sheets of the packing, in addition to the vapor phase in countercurrent flow. For a better understanding of this process, it is necessary to investigate the multiphase flow behavior, which is the objective of this thesis. First of all, established measurement methods have to be checked for the applicability to this multiphase flow behavior. Optical measurement methods are preferred, since they do not disturb the thin liquid flow. First flow investigations of a single-liquid flow over inclined steel plates without forced gas or vapor flow are carried out. Therefore, the optical measurement methods particle-tracking-velocimetry (PTV) and light-induced-fluorescence (LIF) are developed further and applied to the measurements of surface velocity, liquid spreading and fluid thickness. The applied methods are compared to data taken from the literature, which show good agreements and the applicability of the used methods. Subsequent, the experimental results are used to validate CFD-simulations, which are carried out in a partner project and are published in the literature. After that, the flow behavior becomes more complex due to the addition of a second liquid phase. The co-current flow of the immiscible liquids water and toluene on inclined steel plates is measured and analyzed. Experimental results show that both phases overlay and influence each other. The influencing effect is found in a decrease of the multiphase flow velocity compared to the single-liquid flow. On the other hand, the interaction between the liquids leads to a stabilization of the whole liquid flow. The published CFD-simulations show a good qualitative and quantitative agreement with the experiments. Additionally, the interactions between the liquid phases are observed in the simulations as well. Finally, the observed fluid dynamic effects and behaviors are discussed regarding their application on packed towers.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14413
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1776
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1479
Exam Date: 27-Oct-2006
Issue Date: 13-Dec-2006
Date Available: 13-Dec-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Flüssig-flüssig Strömung
Optische Messmethoden
Packungskolonnen
Strömungsmessungen
Flow measurements
Liquid-liquid flow
Optical measurement methods
Packed columns
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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