Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4324
Main Title: Untersuchung des Einflusses von Partikeln auf das Druckentlastungsverhalten schäumender Systeme
Translated Title: Investigation of the influence of particles on the venting behavior of foamy systems
Author(s): Leimeister, Henrik
Advisor(s): Steinbach, Jörg
Referee(s): Steinbach, Jörg
Krause, Ulrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Verfahrenstechnische Apparaturen, die während des Betriebes oder in unerwünschten Störungsszenarien erhöhten Drücken unterliegen, sind gegen unzulässige und materialgefährdende Zustände mit Druckentlastungseinrichtungen zu schützen. Die Dimensionierung der hierfür verwendeten Apparaturen stützt sich auf experimentell validierte Modelle, die stark von der Art des betrachteten Systems abhängig sind. Für komplexe Systeme existieren jedoch wenige Studien, so dass eine genaue Auslegung nicht möglich ist und stark konservative Abschätzungen Verwendung finden. Dies führt zu starken Kostenanstiegen und im Einzelfall unsicheren Systemzuständen. Ziel der Arbeit ist es daher zu untersuchen, inwieweit Partikel einen Einfluss auf das Druckentlastungsverhalten schäumender Systeme haben. Solche Systeme sind etwa bei heterogen katalysierten Reaktionen anzutreffen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse von Aufwall- und Druckentlastungsexperimente präsentiert. Dabei werden vertiefend der Einfluss der Partikel auf die Schaumbildungsneigung, das Austragsverhalten und das Druck-Zeit-Verhalten der untersuchten Systeme betrachtet. Es werden Ergebnisse von schwach- und starkschäumenden Systemen in Anwesenheit und Abwesenheit inerter, sphärischer Partikel dargestellt. Die Ergebnisse der Experimente werden weitergehend hinsichtlich genereller Einflüsse der Partikel auf das Druckentlastungsverhalten untersucht. Hierzu wird das Konzept der normierten Absinkgeschwindigkeit ws entwickelt und präsentiert. Abschließend erfolgt mit Hilfe von Simulationen mit der Software Safire Vent die Untersuchung der generellen Eignung bestehender Modelle zur Beschreibung des Druckentlastungsverhaltens schäumender dreiphasiger Systeme. Es zeigt sich, dass Partikel verschiedene Einflussebenen auf das Entlastungsverhalten der untersuchten Systeme haben. Dabei erzeugen die Einzeleffekte stark variierende Gesamteffekte. Als Einzeleffekte werden aufgezeigt: 1. den Schaum destabilisierende Effekte einer Feststoffschicht am Behälterboden, 2. das Sieden und Schäumen verstärkende Effekte dispergierter Partikel, 3. den Schaum destabilisierende Effekte von Partikeln in der Schaumschicht und 4. den Druckabbau wesentlich verlangsamende Effekte von Partikeln in der Entlastungseinrichtung. Die normierte Absinkgeschwindigkeit fasst die identifizieren Effekte zusammen. So schwimmen Partikel mit negativen normierten Absinkgeschwindigkeiten auf und sind in der Entlastungseinrichtung zu erwarten. Geringe Werte bei der normierten Absinkgeschwindigkeit stehen für Partikel die gut dispergierbar sind und durch verstärktes Schäumen den Druckabbau verlangsamen. Hohe Werte der normierten Absinkgeschwindigkeit sind repräsentativ für Partikel die am Reaktorboden verharren und den Schaum destabilisieren. Mit Hilfe der Simulationen wird die mangelnde Eignung bestehender Modelle zur Beschreibung schäumender dreiphasiger Systeme aufgezeigt. So kann mit Hilfe der aktuellen Auslegungsempfehlung für schäumende zweiphasige Systeme der Druck-Zeit- Verlauf gut wiedergegeben werden, jedoch bestehen große Diskrepanzen im Vergleich des Massenaustragsverhaltens von Experiment und Simulation. Es sind somit zwingend neue Modelle zu entwickeln, die, basierend auf den in der vorliegenden Arbeit identifizierten Einflussebenen der Partikel, genauere Vorhersagen und weniger konservative Auslegungsansätze ermöglichen.
Equipment of process plants that is exposed to excessive pressure during operation or undesired disturbances has to be protected with venting devices. Design and layout of the chosen device is highly dependent on the system investigated and based on experimentally validated models. For complex systems the number of studies is highly limited. Thus a precise design is not possible and over-conservative assumptions are made. Goal of the work presented is to investigate the influence of particles on the venting foamy systems like they are to be expected in heterogeneously catalyzed reactions. In the work presented results of level swell and venting experiments are analyzed. The influence of particles is investigated in regard of the foaminess, the discharge behavior and the pressure decrease over time of the systems. Results are presented for weakly- and strongly foaming systems in absence and presence of inert, spherical particles. Further interpretation of the experimental results is concluded to identify general effects of particles on the venting behavior. Therefore the concept of a dimensionless sink velocity wS of the particles is developed. The work concludes with a comparison of experimental results with simulations using Safire Vent to determine the applicability of current models for the design of venting devices for foamy three-phase systems. Results show that particles influence the venting process in multiple ways. The overall effect of the particle largely varies with the variations of each individual influence layer. As individual influences: 1. foam destabilizing effects of particles at the bottom of the tank, 2.bubbling increasing and foam stabilizing effects of dispersed particles, 3.foam destabilizing effects of particles immersed into the foam structure and 4.pressure decrease slowing effects of particles in the vent device are identified. The dimensionless sink velocity combines those effects. Particles with negative dimensionless sink velocity float on the liquid and are to be expected in the vent device. Low values of the dimensionless sink velocity are common for particles that show a high degree of dispersion and reduce the pressure decrease over time by increasing the foaming. Large values of the dimensionless sink velocity are representative for particles that remain at the bottom of the tank and destabilize the foam. Simulations show a limited applicability of current models for the design of vent devices for foamy three-phase systems. Current recommendations for the design of vent devices for foamy two-phase systems meet the pressure decrease over time of the experiments well. At the same time they show large discrepancies in the comparison of the mass discharge of experiment and simulation. New models have to be developed to achieve a more precise design with less conservative assumptions. The identified influences of particles on the vent behavior as described in the work presented should be the basis for those models
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-61665
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4621
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4324
Exam Date: 10-Nov-2014
Issue Date: 9-Mar-2015
Date Available: 9-Mar-2015
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): Dreiphasig
Druckentlastung
Mehrphasig
Partikel
Schaum
Depressurization
Foam
Multi-phase
Particles
Three-phase
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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