D i m e n s i o n s l o s e G r u p p e n

Nu Nu'

Pr

Re

s c

NuOelt-Gruppe (Warmeaustausch)

NuOelt-Gruppe (Stoffaustausch) =

Sherwood-Gruppe

Prandtl-Gruppe

Reynolds-Gruppe

Schmidt-Gruppe ~~

*) Da die Wertigkeit gleich Eins genommen ist und ihre Ein- heit k Aquiikmol vernachlassigt, werden auch hier Aquiva- lente und Mole identisch.

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Die Stabilitat von Flussigkeitsfilmen und das Zusammenfliesen von Tropfen und Blasen un t er dem Einf 11113 des S tof f aus tausches

F. J. ZUIDERWEG

Koninklijke/Shell-Laboratorium, Amsterdam (Shell Internationale Research Maatschappij N. V.)

Es wird ein Uberblick gegeben uber den heutigen Stand unserer Kenntnisse uber die Stabilitat von Flussigkeitsfilmen, Blasen und Tropfen unter dem Einilulj des Stoff- transportes durch die Grenzflache. lnsbesondere werden die quantitativen Effekte auf Stofi- und Warmeaustausch und auf die Koaleszenz von Tropfen besprochen; dabei wird ouch ihre Bedeutung fur die Praxis angegeben.

Beim Stoffubergang zwischen zwei Flussigkeitsphasen konnen in der Phasengrenzflache infolge ortlicher Un- terschiede der Grenzflachenspannung hydrodynamische Instabilitaten auftreten. Solche Spannungsunterschiede konnen durch Konzentrations- undloder Temperatur- schwankungen bei Stoff- und Warmeubergangsprozes- sen hervorgerufen werden.

Quantitativ sind diese Vorgange, die als M a r a n g o n i - E f f e k t bezeichnet werden, von mehreren Forschern untersucht worden. Sigwart und Nassenstein') und Lewis und Praf t 2 ) haben die Instabilitaten bei Flussig/ Flussig-Extraktion beschrieben. Kroepelin, Neumann und ProtP) haben gezeigt, daR auRer in Fliissig/Fliissig-

*) Vortrag auf dem Jahrestreffen der Verfahrens-Ingenieure, 6. bis 8. Oktober 1963 in Hannover.

Systernen auch in GasiFlussig-Systemen Grenzflachen- instabilitaten auftreten konnen. Briickner4) hat die Grenzflachenwirbel mischbarer und partiell mischbarer Flussigkeiten in bezug auf die Kinetik des Stoffaus- tausches an der Grenzflache zwischen Silicat und Salz- schmelzen untersucht.

Es ist bis heute noch nicht moglich, quantitative Aus- sagen uber die Grenzflachenturbulenz zu machen. Sternling und Scriven 5! versuchen in einer theoreti- schen Arbeit, in der sie von einem hydrodynamischen Konvektionszellenmodell ausgehen, das Entstehen von Grenzflachenturbulenz vorauszusagen. Es zeigt sich, daD die Grenzflachenturbulenz rnit dem Verhaltnis von kine- matischen Viscositaten zu dem Diffusionskoeffizienten der beiden Phasen und mit der Richtung des Stoffaus- tausches zusammenhangt. Ein schones Beispiel der Kon-

Chernie-1ng.-Techn. 36. Jahrg. 1964 / N r . 3 290

vektionszellen-Entwicklung und dabei eine Bestatigung der Theorie von Sternling und Scriven bilden die Ver- suche von Orell und WestwateP), wobei die nicht- stationare Diffusion von Essigsaure aus Athylenglykol nach Athylacetat photographiert wurde, Abb. 1.

Die Grenzfldchenbewegungen konnen Ursache dafur sein, daR Fliissigkeitsfilme instabil werden und sich zusammenziehen oder aber gerade stabilisiert wer- den. Es ist zu erwarten, daR diese Vorgange, zusam- men mit der auftretenden Grenzflachenturbulenz, einen bestimmten EinfluR auf den Wirkungsgrad von Kontaktapparaten ausuben. Quantitative Aussagen in dieser Hinsicht sind im letzten Jahrzehnt fur De,stilla- tions- und Eatraktionsapparaturen, fur Reaktionsbe- halter und auch fur den Warmeaustausch beim Sieden gemacht worden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Uberblick uber diese Vorgange vermittelt und deren Bedeutung fur die Praxis angegeben.

Abb. 1. Bildung von Konvektionszellen im System Athylen- glykol' Athylacptat unter dem EinfluD von Essigsaureaustausch aus der C;lyko!phasu nach der Esterphase. Nach Orc l l u . Wc,stwaferG)

Instabile Fliissigkeitsfilme in FliissigIDampf-Systemen

Das Aufbrechen und Zusammenziehen von Flussig- keitsfilmen unter dem EinfluR des Stoffaustausches wurde schon von Molstad und Parsley7] und von Bond und Donald*) beobachtet. Norman und Binnsgl unter- suchten die minimale Flussigkeitsgeschwindigkeit, die in einer NaRwandkolonne zur Aufrechterhaltung dems Flussigkeitsfilmes erforderlich ist. Nimmt die Grenz- flachenspannung ab, so wird eine grol3ere Flussigkeits- geschwindigkeit benotigt; ems laRt sich eine Korrelation zwischen dem Grenzflachenspannungsgradienten und der minimalen Geschwindigkeit ableiten.

Das Zusdmmenziehen des Flussigkeitsfilmes verringert die Beriihrungsflache zwischen Dampf oder Gas und Flussigkeit in erheblichem MaRe, und somit wird auch der Stoffdustausch zwischen den Phasen ungunstig be- einfluRt. Bei Kolonnen vom NaRwand-Typ ist dieser Wirkungsgradverlust am hochsten, aber auch bei Full- korperkolonnen hat man Verluste bis zu 50°io beob- achtet. In Abb. 2 ist der Wirkungsgrad von Fullkor- pern bei der Destillation von BenzoUn-Heptan-Gemi- schen als Prozentsatz des mit einem gut benetzenden Gemisch z. B. n-HeptaniToluol) beobachteten Wir- kungsgrades uber der Konzentration des Gemisches aufgetragen. Die experimentellen Ergebnisse wurden den Veroffentlichungen von Norman und Mitarbb.'"), Zuiderweg und H a r m e n ~ ~ ~ I und Zuiderwegl2, entnom- men. Es fallt auf, daO der Wirkungsgrad bei den ex- tremen Konzentrationen des Gemisches am niedrigsten

ist und im mittleren Konzeatrationsgebiet ansteigt, bei den Messungen von Norman sogar bis zu etwa 100°io. Offenbar tritt das Zusammenziehen des Flussig- keitsfilmes schon bei sehr niedrigen Konzentrationen auf, wobei der negative Grenzflachenspannungsgra- dient") noch niedrig ist. Bei 1 Mol-Oio Benzol im Ge- misch berechnet man einen Gradienten von etwa - 0 , l dynicm; dieser Betrag ist nach Beobachtungen von Kroepelin, Neumann und P r 0 t t 3 ) ausreichend, um die Grenzflachenbewegungen in Gang zu setzen. DaR das Maximum des Wirkungsgrades im mittleren Kon- zentrationsgebiet liegt, scheint jedoch im Widerspruch zum Verlauf des Grenzflachenspannungsgradienten zu stehen. Wie in Abb. 2 gezeigt wird, ist dieser Gradient im mittleren Konzentrationsgebiet gerade am groRten und folglich ware dort das starkste Zusammenziehen

Scheibenkulunne

Benzol-Gehalt 9 20 40 60 Mo/-% 100 $

Abb. 2. Kelativer Wirkungsgrad von Fullkorpern beim Systvni Benzolin-Heptan Nach Norman u. Mitarbb.'o) und Zuiderweg11.i2)

des Filmes zu erwarten. Dieser Widerspruch Bonnte vielleicht durch das Auftreten von Grenzflachenturbu- lenz erklart werden. Kroepelin, Neumann und Prott" ' haben beobachtet, daR bei GasiFlussig-Stoffubergang im Fall abnehmender Grenzflachenspannung eine hef- tige Grenzflachenturbulenz auftritt. Dieses Verhalten ist mit den Stabilitatsuberlegungen von Sternling und Scrivenj, in Ubereinstimmung und wird hauptsachlich durch die groRere Beweglichkeit der Gasphase verur- sacht.

Wenn der Grenzflachenspannungsgradient einen Min- destwert uberschreitet, kann die Grenzflachenturbu- lenz eine Znnahme des Stoffube'rgangs verursachen; Sawistowski und Goltz'") beobachteten, daR fur Flus- sigiFlussig-Extraktion dieser Mindestwert bei rd. - 10 dynicm liegt und daR nach Uberschreiten des Minimums der Stoffubergang auf das Zwei- bis Drei- fache steigt. Wegen detr groberen Beweglichkeit der Phasen bei der Destillation ware jedoch zu erwarten, daR die Grenzflachenturbulenz in diesem Fall bei einem niedrigeren Grenzflachenspannungsgradienten auftreten wurdme. Diese Uberlegung ist in Ubesreinstim- mung mit der Beobachtung nach Abb. 2, daR im mittle- ren Konzentrationsgebiet der Wirkungsgrad ansteigt, wobei der Grenzflachenspannungsgradient auf etwa - 1 bis - 1,5 dyn!cm ansteigt.

Die Abnahme der Grenzflachenkontaktflache bei den instabilen Flussigkeitsfilmen wird also durch die zu- gleich auftretsende Grenzflachenturbulenz zum Teil ausgeglichen.

") Der Grenzflachenspannungsgradient wurde berechnet als Differenz der Grenzflachenspannungen, bezogen auf den Konzentrationsunterschied zwischen den koexistierendrn Phasen.

Cheinie-lny.-Techn. 36. Jahry. 1964 1 Nr. 3 291

Stabile Plussigkeitsfilme in Flussig/Dampf-Systemen

Der Effekt dejr Stabilisie,rung von Fluss,igkeitsfilmen, die die Grenzflachenspannung erhoht, laRt sich am besten am Wirkungsgrad von Bodenkolonnen nach- weisen. Besonders bei Siebboden mit kleinen Lochern und bei niedriger Belastung wird der Flussigkeitsfilm zwischen den Blaschen stabilisiert, wodurch das Zu- sammenflieRen d H Blaschen verzogert wird und sogar Schaum entstehen kann. Ein Beispiel d,er Schaumbil- dung wurde von Zuiderweg und Harrnensll) bei der Destillation von n-HeptaniToluol-Gemischen in Labo- ratoriums-Siebbodenkolonnen nach Oldershaw be- schrieben, Abb. 3. Bei Gemischen, bei denen keine

0 20 bC 60 n-Hep fan -Gehulf (3 1afi

Abb. 3. Bodenwirkungsgrad von Laboratoriums-Siebboden beim System n-HeptadToluol. Nach Zuiderweg u. Harrnensll)

I 1 1 1 I 20 40 60 80MOl-%IOQ

18168541 Sauersro ff- Gehalf

Abb. 4. Wirkungsgrad van Laboratoriums-Siebboden bcim System StickstoffiSauerstoff. Nach Linde14)

Grenzflachenspannungseffekte auftreten, befindet sich eine Sprudelschicht auf den Boden; dann ist der Wir- kungsgrad etwa 50°/o. Abb. 3 zeigt, daR fur das n-Hep- tan/Toluol-Gemisch dieser Wert nur in dein extremen Konzentrationsbereichen auftritt, fur die der Grenz- flachenspannungsgradient notch ganz kleine positive Werte hat. Im mittleren Konzentrationsgebiet nimmt aber rnit steigendem Gradienten der Wirkungsgrad deshalb stark zu, weil gleichzeitig die Schaumschicht auf den Bod'en hoher wird. Ein ahn1,icher Fall der Schaumbildung mit zunehmendem Wi'rkungsgrad auf Siebbijden wurde von Linde14) bei Rektifikation von Stidcstoff/Sauerstoff-Gemis~en beobachtet, Abb. 4.

Auch Ellis und C o n t r ~ c t o r ~ ~ ) fanden Schaumbildung und e,rhohten Wirkungsgrad bei der Destillation von MethylcyclohexaniToluol-Gemischen bei Atmospharen- druck. Bei 200 Torr Druck war jedoch die Dampfge- schwindigkeit zu groR, als daR Schaum entstehen konnte, und auch der erhohte Wirkungsgrad wurde nicht mehr beobachtet, Abb. 5.

Wichtige Forschungsarbeiten uber die Austausch- richtung und damit die Anderung des Vorzeichens des Grenzflachenspannungsgradienten stammeln von Frank und Grassmann16) und Anderes und Gra~smann '~) . Den Stoffaustausch beim Einspritzen von Dampf in die Flussigkeit haben diese Forscher an zahlreichen Systemen untersucht, wie StickstoffiSauerstoff, Was- ser/Alkohol, Me.thylalkohol/Athylalkohol, Heptan/Bea- zol und andere mehr. Wenn die Austauschrichtung eine Zunahme der Grenzflachenspannung bewirkte, wurde ein deutlich hoherer Wirkungsgrad fesigestellt.

Methylcyclohexan- Gehalf 1816851/

Abb 5 Wirkungsgrad van Laboratoriurns-Siebboden beim System n-HeptaniMethylcyclohexan. Nach Ellis u. Contrac10r~~)

0 20 40 60 80 M&% 1110 Souerstoff-Gehalt der Flussigkei f

, B 168561

Abb. 6 . Wirkungsgrad beim Einspritzen van Gas in flussige StickstoffiSauerstoff-Gemische in Abhangigkeit van der Aus- tauschrichtung. Nach Frank u. Grassmannl")

Ein Beispiel der Arbeiten von Grassmann und Mitarbb. gibt Abb. 6, in der der Wirkungsgrad beim Stoffaus- tausch im StickstoffiSauerstoff-System dargestellt ist. Wird reines Sauerstoff-Gas in die Flussigkeit einge- spritzt, nehmen die Sauerstoff-Konzentration und damit auch die Grenzflachenspannung zu. Ein hoherea Wir- kungsgrad wird dann beobachtet. Interessant ist, daR bei Anwendung eines Gasgemisches mit 18,6O/o Sauer- stoff ein hoherer Wirkungsgrad nur bei niedrigerem Sauerstoff-Gehalt der Flussigke'it auftritt. Bei hoherer als der mit diesem Gas in Gleichgewicht stehend'en Konzeatration von etwa 50°/o wird namlich der Sauer- stoff nicht mehr absorbiert, sondern aus der Flussig-

292 Chernie-lng.-Techn. 36. Jahrg . 1964 1 Nr. 3

keit hinausgetrieben, wobei die Grenzflachenspannung abnimmt. Dann stellt sich der niedrige Wert des Wir- kungsgrades ein.

Die Einspritzgeschwindigkeit bei den Versuchen von Grassmann und Mitarbb. war etwa zwei- bis dreimal so groR wie hei den Siebboden-Destillationsversuchen in Abb. 3 und Abb. 5; Schaumbildung kann dann nicht auftreten und wurde auch nicht beobachtet. Es ist je- doch wahrscheinlich, daR sich die Lebensdauer der sich an der Flussigke.itsoberflache ansammelnden Blaschen bei zunehmender Grenzflachenspannung verlangert hat. Dies wiirde auch in diesem Fall die hohere Stoff- austauschgescbwindigkeit erklaren.

In Laboratoriumskolonnen mit geringem Bodenabstand verursacht die Schaumbildung eine Abnahme der Ko- lonnenkapazitat. Tabelle 1 zeigt fur eine Siebboden- kolonne mit 25 mm Bodenabstand die Belastungs- grenze fur einige binare Systeme. Mit den reinen Komponenten und mit Gemischen, bei denen die Grenzflachenspannung nicht zunimmt, wird immer die gleiche Belastungsgrenze vcm etwa 4 l/h beobachtet; bei steigender Grenzflachenspannung aber weist d.ie Kolonnenkapazitat eine starke Abnahme auf, die sich auf etwa 15 bis 90°/o belaiuft. Diese ziemlich auffallen- den Einflusse werden jedoch in starkem MaRe von der typischen Konstruktion einer Laboratoriumskolonne bedingt. Bei groRtechnischen Kolonnen ist der Boden- abstand viel grober, und es werden auch viel groRe're Bodenoffnungen und Einspritzgeschwind,igkeiten be- nutzt. Die kinetische Ene,rgie des Dampfes ist fur die die Blasthen stdbilisierenden Krafte zu groR, und der Effekt dieser Krafte wird sehr gering. Dies zeigen die Werte der relativen Zunahme des Wirkungsgrades und der Abnahme der Kapazitat bei technischen Kolonnen- typen in Tahelle 2 nach Zuiderweg, Verburg und Gi- lissenIH ' .

Kapazitats- verlust durch

Schaumen [ O i n l

Tabelle 1. Maxinialer Durchsatz (Belaslungsgrenze) von Labo- ratoriums-Siebbodenkolonnen in llh fur verschiedene binarr Gemische (Rodenabstand 25 mm)

Verstarkung des Wirkungs- grades durch

Scfiaumen I'fol

System Reine Bindres Komponente Gemisch

CenzoliToluol n-HeptanIMethylcyclohexan CyclohexanliBenzol n-Hexani Cyclohexan n-HexdBenzol n-Octan/Xylol n-HeptaniToluol Iso-OctaniToluol

Tabelle 2. EinfluB eines schaumenden binaren Systems auf Kapazitat und Wirkungsgrad technischer Destillationskolonnen

~~

Glockenboden Ventilboden Siebboden Kittelboden ,, Spraypak"

0 5 7 9

13

3 4 9 9

25

Koaleszenz in FlussigIFlussig-Systemen

Auch bei der FlussigIFlussig-Extraktion fuhrt eine ab- nehmende Grenzflachenspannung beim Stoffaustausch zu instabilen Flussigkeitsfilmen. Dies tritt im allgemei- nen auf bei der Extraktion aus der dispergierten Trop- fenphase in die kontinuierliche Phase. Durch die Insta- bilitat der Flussigkeitsfilme ergibt sich eine schnelle Koaleszenz der Tropfenphase. Bei entgegengetsetzter Richtung des Stoffaustausches ergibt sich jedoch eine Stabilisierung des Flussigkeitsfilmes; die Koaleszenz geht langsam vor sich. Abb. 7 gibt ein Beispiel von zwei stabilen Tropfen nach Groothuis und Zuider- wegl",. In Extraktionskolonnen beeinfluat die Koales- zenzgeschwindigkeit die TropfengroRe und damit die Kapazitat dieser Apparate. Dies zeigen die Ergebnisse der Messungen von Logsduil und Mitarbb.20) an einem Drehscheibenextraktor. In Abb. 8 ist die zula,ssige Ge- schwindigkeit der dispersen Phase des WasserIAce- todToluo1-Systems (Toluol dispergiert) uber der Ge- schwindigkeit der kontinuierlichen Phase aufgetragen. Wird die Richtung, in der der Stoffaustausch stattfin- det, umgekehrt - also Toluol+Wasser statt Wasser+ Toluol - so wird die zulassige Geschwindigkeit der dispergierten Phase etwa dreimal so groR.

Schnelle Koaleszenz ist auch wichtig, wenn sich eine chemische Reaktion in der dispergierten Phase ab- spielt. C u r P J berechnete fur eine Rejaktion nulltes

Abb. 7. Stark verzogerte Koaleszenz im System Wasser/Essig- saureiBenzo1 (dispergiert) durch Stoffaustausch aus der kon- tinuierlichen Phase in die Tropfenphase. Nach Groothuis u. Zuiderweglg)

p $

\ \ ' y stoffausracsui

,disp. Phase + kont Phase \ \ \ .z I \

C/ Kein Sto ffaustausch

1 1 1 I I

I 2 3 4 5rnrn/sb Durcbsatz der kontinuierhchen Phase

IIm Abb. 8. Kapazitat einer Drehscheibenkolonne abhangig van der Richtung des Stoffaustausches im System ToluoliWasseri Aceton (Toluol dispergiert). Nach Logsdail u. Mitarbb.20)

Chemie-1ng:Techn. 36. Jahrg. 1964 1 Nr. 3 293

Ordnung den Effekt schneller Koaleszenz und dadurch schneller Homogenisierung der dispergierten Phase auf die Reaktionszeit. Abb. 9 zeigt, daD besonders bei hohem Umsatzgrad schnelle Koaleszenz (grooer Weat von q t d , dem Produkt der Koaleszenzfrequenz wi u,nd der Verweilzeit t d der dispergierten Phase) die erfor- derliche Reaktionszeit tCl stark verkurzt.

Mehrere Forscher haben versucht, Koaleszenzzeiten zu ermitteln, sowie festzustellen, wie diese vom St0ffau.s- tausch beeinflufit. werden. Charles und Masonp*) be- stimmten den Mittelwert des Ruhezeit von Wasser- tropfen auf der Grenzflache zwischen Benzol und Was- ser, wobei Dioxan von den Wassertropfen nach der Benzol-Phase iibefrtragen wurde. Abb. 10 zeigt, daR mit etwa 0,05O/o Dioxan die Ruhezeit auf etwa 1/15 herab- gesetzt wird. Die Filmdicke des Benzols im Augen- blick des ZusammenflieRens war etwa 2 bis 4 p. Au& Sawistowski und James3*) bestimmten Koaleszenzzei- ten von Tropfen an einer Fliissigkeitsgrenzflache (WasseriKohlensaurediathylester). Auch diese For- scher fanden, daD der Stoffubergang von Essigsaure aus der dispergiesrten Phase eine 10- bis 30fache Zu- nahme der Koaleszenzgeschwindigkeit verursacht.

700

%

80

'h

ul P b z s

60

40 I

r81685.91

c u , t d = c o

500

I I I I ? 2 3 4 5

Abb. 9. Konversion bei hemischer Reaktion nullter Ordnung in Abhangigkeit van der Reaktionskonstanten K , der An- fangskonzentration in dispergierter Phase C,,, Verweilzeit t,, der dispergierten Phase und der Koaleszenzkonstante coi . Nach Curl")

'I\

Dioxan -Gehalr 181685101

Abb. 10. Koaleszenz im Wasser/Benzol!Dioxan-System. Ruhe- zeiten von Wassertropfen auf der WasseriBenzol-Grenzflache unter dem EinfluR der Diffusion van Dioxan. Nach Charles u . Mason2*)

lo r / I , 4 % Es$@saure-Gehah

/Keh Sto ffaustausch

0.7 I kW/m3 I0 Kmft verbraucb

Abb. 11. Koaleszenzgeschwindigkeit im System Kohlenstoff- tetrahloridiBenzoliWasser unter dem EinfluR des Kraftver- brauches des Mischers. Nach Groothuis u. Zuiderweg?@)

0 I 1 0 2%

Esstgsaure -Gehalt

Abb. 12. Koaleszenzgeschwindigkeit im System Kohlenstoff- tetrachloridlBenzoliWasser unter dem EinfluR des Stoffaus- t a u s h e s (organische Phase dispergiert) . Nach Groothuis u. Zuiderweg";)

Beim Stoffubergang in entgegengesetzter Richtung nahm die Geschwindigkeit sehr stark ab.

Uber Messungen der Koaleszenz von Tropfen in einem FlussigIFlussig-Mischer ohne Stoffiibetrtragung haben Madden und D ~ m e r e l l ~ ~ ~ und Miller und Mitarbb.?:) be- richtet; fur einen kontinuierlichen Mischer hat Groot- h u i P I den EinfluR des Stoffaustausches auf die Koa- leszenzgeschwindigkeit bestimmt. Die Ergebnisse ent- halten die Abb. 11 und 12. Die Koaleszenzfrequenz ist dem Kraftverbrauch des Mischers etwa proportional; mit lo/o Essigsaure in der Tropfenphase wird die Koa- leszenzfrequenz jedoch um mehr als das Zehnfache ver- grofiert. Damit erreicht bei einer Verweilzeit t,l von 10 min das Produkt wit,, einen Wert, der - wie aus Abb. 9 hervorgeht - einen erheblichen EinfluR auf den Umsatzgrad ausiibt.

EinfluB der Grenzflacheninstabilitat auf den Stoffaustausch bei FlussigIFlussig-Systemen

Linde und Kretschmarz7J untersuchten den nichtstatio- naren Stoffaustausch zwischen organischen Flussigkei- ten und Athylenglykol/Wasser-Mischungen in einer Diffusionskiivette. Insbesondere bei hoherem Glykol- Gehalt der waiRrigen Phase wurden Grenzflachenwirbel

294 Chernie-1ng:Techn. 36. Jahrg. 1964 / N r . 3

beobachtet. Diese Erscheinung, die nach den Ansichten von Sternling und Scdven5) damit zusammenhangt, daR das Verhaltnis zwischen den kinematiwhen Viscosi- taten der Phasen einen Hochstwert erreicht, verur- sachte bis zu 20mal groRere Austauschgeschwindigkei- ten. Nach der erwahnten Arbeit von Sawistowski und G O I / Z ' ~ J ist fur einen ahnlichen EinfluR bei der Extrak- tion von Tropfen ein Minimalwert der Grenzflachen- spannungsgradienten von etwa 10 dynicm notwen- dig.

Dies ist vielleicht die Ursache, daR in der Praxis bei der Extraktion nur ein geringer EinfluB der Grenz- flacheninstabilitat auf den Stoffubergangskoeffizienten beobachtet wird. In einer Analyse des Wirkungsgrades einer Drehscheibenkolonne zeigen Strand, Olney und Ackerman281, daR der Stoffaustausch einzelner Tropfen ziemlich gut mit dem theoretisch zu erwartenden Wert ubereinstimmt. In technischen Kolonnen konnen et- waige Effekte der Grenzflachenspannungsgradienten durch axiale Vermischung der kontinuierlichen und der dispergierten Phase uberdeckt werden.

EinfluD einer Xnderung der Grenzflachenspannung auf den Warmeubergang bei siedenden Zweistoff-Gemischen

Bekanntlich wird der Warmeubergang bei siedendea Flussigkeiten vom Temperaturunterschied zwischen Beheizungsoberflache und Flussigkeit bedingt. Bei ge- ringen Temperaturunterschieden entstehen kleine Blaschen (,,nucleate bo,iling"); der Warmeubergang steigt bei zunehmendem Temperaturunterschied an, bis die an der Beheizungsoberflache entstehenden Blas- chen zusammenflieRen (,,film boiling"). Gerade beim Ubergang von ,,nucleate" zu ,,film boiling" erreicht der Warmeubergang seinen Hochstwert. Van Wijk und van Stralen'QJ haben gezeigt, daR dieses Maximum bei 2we.istoff-Gemischen einen hoheren Wert haben kann als bei den reinen Komponenten. Hovestreydl") hat untersucht, ob das Stabilisieren der Blaschen genau wie beim Stoffaustausch auf Siebboden, durch die Zunahme

I

Azeotrop mit Heptan

0 20 40 60 80 Gen-% 100 Gehalt an <2-Dichforathan mrn

Abb. 13. Maximaler Warmedurchgang an einem Platindraht. Die Grenzflachenspannung nimmt beim Verdampfen im Kon- zentrationsgebiet rechts vom Azeotrop zu. Nach Hovestreydt"")

der Grenzflachenspannung wahrend der Blaschenbil- dung erklart werden kann. Dazu fuhrte er an zahl- reichen binaren Systemen mit zune'hmender oder ab- nehmender Grenzflachenspannung Warmeubergangs- versuche durch. Es, wurde eine deut1,iche Korrelation festgestellt: die Maxima im Warmeubergang wurden im allgemeinen nur gefunden, wenn die Grenzflachen- spannung der Flussigkeit beim Verdampfen zunimmt. Dies zeigt Abb. 13 fur azeotrope Systeme, wie z. B. HexaniDichlorathan und HeptaniDichlorathan.

Eingegangen am 4. Dezrmber 1963 [B 16851

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