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Characterization, inhibition and acoustic destruction of foam in columns with structured packings

Leuner, Hannes

Foam in absorption and distillation processes is one of the main reasons for malfunctions in columns including higher gas pressure loss, lower throughput, and lower mass-transfer rates leading to a reduced separation efficiency. Due to the complex dependencies, high system dynamics and profound non-linearities of this phenomenon, foam in columns is until now neither fully understood, reliably predictable nor fully controllable. To overcome these issues and reduce the negative impact of foam in columns, this thesis provides a deeper understanding of foam in columns with structured packings and introduces two new foam management solutions. The foam formation and behavior were investigated in a newly developed transparent rectangular measurement cell, a DN80-column and a DN300-column. Furthermore, a survey was conducted about the current situation of foam in columns of the chemical industry and the foam reduction potential of the two foam management solutions was evaluated. The influence of the liquid flow regime and maldistributions on foam formation and behavior is discussed in detail along with the phenomenon of a first-time identified foam related hysteresis effect. Furthermore, the use of spacers between structured packing layers to inhibit and the use of acoustic waves to destruct foam in structured packings were investigated, while both methods were able to sufficiently reduce the amount of foam in columns with structured packings. Those outcomes of this thesis are important fundamentals for further investigations and a mathematical description of foam in columns with structured packings. The developed foam management solutions can be potentially applied to foam affected processes in the near future, but also require further research.
Schaum in Destillations- und Absorptionsprozessen der chemischen Industrie ist eine der Hauptursachen von Störungen im Betrieb von Kolonnen, wobei es zum Anstieg des gasseitigen Druckverlusts, zur Verringerung des Gasdurchsatzes und zur Verschlechterung der Stofftransportkoeffizienten kommt, was zu einer reduzierten allgemeinen Trennleistung führt. Aufgrund von komplexen Abhängigkeiten, hohen Systemdynamiken und starken Nichtlinearitäten ist das Schaumphänomen bis heute weder vollständig verstanden, verlässlich vorhersagbar, noch vollumfänglich kontrollierbar. Diese Arbeit konzentriert sich daher auf die weitere Aufklärung des Schaumphänomens in Kolonnen mit strukturierten Packungen, sowie einer Entwicklung zweier neuer Schaummanagementmethoden zur Reduzierung der negativen Auswirkungen. Dazu wurde die Schaumentstehung und das Schaumverhalten in einer transparenten rechteckigen Messzelle, einer DN80-Kolonne und einer DN300-Kolonne experimentell untersucht. Außerdem wurde eine Umfrage zum aktuellen Stand der Schaumproblematik in Kolonnen der chemischen Industrie durchgeführt, sowie das Schaumreduzierungspotential der zwei Schaummanagementmethoden evaluiert. Der Einfluss der Strömungsregime und Fehlverteilungen der flüssigen Phase auf die Schaumbildung sind eingehend diskutiert und im Zusammenhang mit einer erstmals beschriebenen schauminduzierte Hysterese dargestellt. Spacer zwischen Packungslagen und die Wirkung von Schallwellen zur Inhibierung und Zerstörung des Schaums wurden untersucht, wobei beide Methoden die Schaumbelastung deutlich verringern konnten. Die Erkenntnisse der Arbeit sind wichtige Grundlagen für weitergehende Untersuchungen, sowie einer mathematischen Beschreibung von Schaum in Kolonnen mit strukturierten Packungen. Die entwickelten Methoden des Schaummanagement sind darüber hinaus zukünftig in schaumbelasteten Prozessen einsetzbar, wobei zunächst weitere Untersuchungen notwendig sind.