Vergleichende Untersuchungen zu Höhe und Aufbau der Zweiphasenschicht in Bodenkolonnen mittels Feldsensor und Lichtvorhang

Aufgrund des hohen Energiebedarfs thermischer Trennverfahren werden trennwirksame Einbauten in Kolonnen stetig weiterentwickelt und optimiert. In Bodenkolonnen kommen hierbei verstärkt Ventilböden mit Fixed Valves und Float Valves zum Einsatz, bei denen im Gegensatz zu den in der Literatur bereits ausführlich untersuchten Siebböden noch großes Forschungspotential besteht.

Eine essenzielle fluiddynamische Größe ist dabei die Zweiphasenschichthöhe, die einen großen Einfluss auf den Stoffaustausch auf dem Boden hat. Trotz ihrer großen Bedeutung wird diese Messgröße im Rahmen von fluiddynamischen Untersuchungen bisher hauptsächlich visuell abgeschätzt, was keine objektive Wiederholbarkeit gewährleistet und somit zu großen Unsicherheiten führt. Um verlässliche Aussagen zur Zweiphasenschichthöhe treffen zu können, ist daher die Aufzeichnung objektiver Messgrößen und Anwendung automatisierter Auswerteverfahren erforderlich.

Im Rahmen des AiF-Forschungsvorhabens Werkzeuge und Methoden zur verbesserten fluiddynamischen Auslegung von Querstromböden mit Hochleistungsventilen wurden zwei unabhängige Messmethoden eingesetzt, die im Rahmen dieses Beitrags vergleichend bewertet werden. Als erste Methode wurden Messungen mit dem Lichtvorhang Rapidoscan® durchgeführt, der mittels Infrarot-Strahlung die Zweiphasenschicht nicht-invasiv auf dem Boden detektieren kann. Als zweite Methode kam ein vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) entwickelter Feldsensor zum Einsatz, der mit 360 Elektrodenpaaren die Phasenverteilung in mehreren Ebenen über dem Boden vermisst. Hieraus lässt sich ein dreidimensionales Feld der Phasenverteilung rekonstruieren, das ebenfalls Rückschlüsse auf die Zweiphasenschichthöhe zulässt.

Die Messungen wurden an einem Gas/Flüssig-Kolonnenversuchsstand am Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik der TU München durchgeführt, der einen Durchmesser von 1,2 m aufweist und mit dem Stoffsystem Luft/Wasser betrieben wurde. Vermessen wurden fünf verschiedene Bodenkonfigurationen von Sieb- und Fixed-Valve-Böden, die unter Berücksichtigung von relevanten in der Industrie eingesetzten Ventiltypen ausgewählt wurden.

Die Untersuchungen mit dem Feldsensor geben detaillierte Informationen zur Phasenverteilung der Zweiphasenschicht auf dem Boden bei verschiedenen
Belastungszuständen. Auf Grundlage der gewonnenen topographischen Daten können zudem Aussagen über die Höhe der Zweiphasenschicht getroffen und ein Vergleich der beiden Messmethoden vorgenommen werden. Abschließend werden daraus abgeleitete Erkenntnisse zur Gültigkeit und Anwendbarkeit von bekannten Zweiphasenschichtmodellen aus der Literatur vorgestellt.