Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4146
Main Title: Theoretical and experimental studies on interfacial properties of ternary liquid mixtures
Translated Title: Theoretische und experimentelle Untersuchungen von Grenzflächeneigenschaften ternärer flüssiger Mischungen
Author(s): Grunert, Tommy
Advisor(s): Enders, Sabine
Referee(s): Enders, Sabine
Bart, Hans-Jörg
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Extraktion ist eine weit verbreitete thermische Trenntechnik, welche auf dem Entmischungsverhalten der beteiligten Stoffe basiert. Ein bis lang noch nicht voll verstandenes Phänomen ist der Stofftransport über die Flüssig-Flüssig-Phasengrenze hinweg, wie auch die Gesetzmäßigkeiten der Koaleszenz. Laut dem aktuellen Stand der Forschung spielen Grenzflächeneigenschaften eine entscheidende Rolle bei diesen Phänomenen. Während die Grenzflächenspannung zwischen zwei flüssigen Phasen durch geeignete Messmethoden experimentell mit einigem Aufwand zugänglich ist, stellt die Untersuchung der Phasengrenze aufgrund ihrer geringen Größe eine bisher unlösbare Aufgabe dar. Daher befasst sich diese Arbeit mit den experimentellen wie auch theoretischen Untersuchungen der Phasengrenze zwischen zwei flüssigen Phasen, indem basierend auf der Dichte Gradienten Theorie die Grenzflächenspannungen, sowie die Konzentrationsprofile innerhalb der Phasengrenze und deren räumliche Ausdehnung vorhergesagt werden können. Die Vorhersagen der Grenzflächenspannungen stehen in hervorragender Übereinstimmung mit experimentellen Daten für verschiedene Systeme, unter anderem für das Referenzsystem zur Extraktion bestehend aus Wasser + Aceton + Toluol. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde eine Gegenstromextraktionskolonne mit Hilfe eines Gleichgewichtsstufenmodells simuliert und anschließend auf den Gleichgewichtsstufen erstmalig die Grenzflächen-spannungen wie auch die Konzentrationsprofile berechnet. Durch Variation der Betriebs-parameter der Kolonne, wie das Zulaufverhältnis zwischen Feed und Lösungsmittel als auch unterschiedlich temperierte Zuläufe, konnte der Verlauf der Grenzflächenspannung innerhalb der Kolonne über deren Höhe beeinflusst werden. Des Weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Anreicherung der lösungsvermittelnden Komponente in der Phasengrenzschicht vorhersagt. Diese Anreicherung innerhalb der Phasengrenze wird in heutigen Stofftransportmodellen nicht berücksichtigt und kann daher für die Entwicklung neuer bzw. zur Optimierung vorhandener Modelle genutzt werden. Ebenso ermöglicht diese Arbeit Modelle für die Marangoni Konvektion wie auch Koaleszenz zu verbessern, was eine bessere Auslegung der Extraktionskolonne hinsichtlich ihrer Effizienz darstellt. Zusammenfassend stellt diese Arbeit ein neues Konzept für die Vorhersage teils aufwändig zu messender Grenzflächenspannungen vor, welches im Rahmen für Simulationen und Optimierungen von Extraktionskolonnen genutzt werden kann.
Extraction is a very common thermal separation technique, which is based on the demixing behaviour of the involved substances. An actual, not fully understood phenomenon is the transport of substances across the liquid-liquid phase boundary, as well as the laws of coalescence. According to the current state of research, interfacial properties play a crucial role in those phenomena. While the interfacial tension between the two liquid phases is experimentally accessible with some measurement effort, the study of the phase boundaries is almost impossible due to their small extension. Therefore, this work deals with experimental, as well as theoretical studies of the phase boundary between two liquid phases by using a new, modified version of the density gradient theory to predict interfacial tensions, as well as the concentration profiles in the interface and their spatial extent. The predictions of interfacial tensions are in excellent agreement with experimental data for various systems, including the reference system for extraction consisting of water + acetone + toluene. Based on those results, a counterflow extraction column was simulated using the concept of equilibrium stages. Then for the first time the interfacial tensions, as well as the concentration profiles on the equilibrium stages were calculated. By varying the operating parameters of the column, such as the ratio between the feed and solvent flow, as well as different temperatures of the incoming flows, the surface tension could be affected within the column as a function over the height. Furthermore, an enrichment of the solubilising component in the interface is predicted. This accumulation inside the interface is not considered in today's mass transport models, but can be taken into account to develop new or to improve existing models. Similarly, this work allows for the improvement of models of Marangoni convection, as well as coalescence, which can be used for a more efficient design of the extraction column. In summary, this work presents a new concept for predicting hard to measure interfacial tensions, which can be used in the context of extraction columns for simulation and optimisation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-55755
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4443
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4146
Exam Date: 4-Jul-2014
Issue Date: 18-Aug-2014
Date Available: 18-Aug-2014
DDC Class: 530 Physik
660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): Grenzflächeneigenschaften
Grenzflächenspannung
Interfacial properties
Interfacial tension
Ternary liquid-liquid-equilibrium
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 3 Prozesswissenschaften » Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
grunert_tommy.pdf1.62 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.