A Heflpunkte von Fath Heflpunkte von Wickenhauser

(an Rohren) 104

1 5 aR

2

103

5 F ubertragene Werte

2 5 lo3 2 5 104 2 s 1 0 5 5 2

9 - Abb. 4. Vergleich der vom Draht auf Rohre ubertragenen Werte mit den direkt an Rohren gewonnenen Ergebnissen.

R115 (bei p* = 0,10, q = 60000 W/m2, Rp,D = 0,15 pm) wurde zunachst nach G1. (7) der Warmeubergangskoeffizient fur Rohre entsprechend beip* = 0,10, q = 60000 W/m2 und Rp,R = 0,918 pm bzw. Rp,R = 0,40 pm berechnet. Setzt man diesen Wert in G1. (l), erhalt man dann den Bezugswert CZR,O,J fur die G1. (1) bei q = qo = 20 000 W/m2. Anhand des Bezugswertes und der GI. (1) wurden fur Rohre bei verschiedenen Warmestromdichten die Warmeuber- gangskoeffizienten fur p* = 0,09 bei R114 und fur p* = 0,323 bei R115 errechnet. Die Ergebnisse sind in Abb. 4 als Linien einge- zeichnet. Zum Vergleich sind die MeBpunkte von Fath [7] und Wickenhauser [8] bei diesen Driicken eingetragen. Beide Autoren haben direkt an Kupferrohren gemessen. Es ist zu erkennen, daB die iiber Drahtversuche ermittelten Werte rnit den an Rohren gefundenen gut iibereinstimmen.

Herrn E. Hees sei fur die Hilfe bei der Messung rnit R11 und deren Auswertung gedankt.

Eingegangen am 29. August 1990 [K 11941

Drahtdurchmesser Druck kritischer Druck normierter Druck (plpk) Warmestromdichte Glattungstiefe nach DIN 4762 Warmeiibergangskoeffizient Warmeiibergangskoeffizient am Rohr Warmeubergangskoeffizient am Draht Wandtemperatur Fliissigkeitstemperatur

Literatur

[l] Shi, K.: Dissertation, Univ. Stuttgart 1989. [2] Hees, E.: Studienarbeit Nr. 8922, ITW, Univ. Stuttgart

(31 VDI-Warmeatlas, Abschnitt Ha: Behaltersieden, 5. Aufl.,

[4] Giitz, J.: Dissertation, Univ. Karlsruhe 1980. [5] Gorenflo, D.: Ringversuche zum Warmeubergang beim Bla-

sensieden: ,,Derzeitiger Stand der Untersuchungen", Bespre- chungsunterlage GVC-UnterausschuB ,,Normapparatur fur Siedevorgange", Wurzburg 1987.

1989.

VDI-Verlag, Dusseldorf 1988.

[6] Bieling, K: Dissertation, Univ. Paderborn 1986. [7] Fath, W : Dissertation, Univ. Paderborn 1986. [8] Wickenhuuser, G. : Dissertation, Univ. Karlsruhe 1972.

EinfluB von Additiven auf die Krustenbildung wahrend der Trocknung*

Peter Schultz und Ernst-Ulrich Schlunder**

Es wurde das Trocknungsverhalten kapillarporoser Korper unter- sucht, in deren Gutsfeuchte zu Versuchsbeginn ein nichtfliichtiger, geloster Stoff vorlag, der wahrend desTrocknungsvorgangs auskri- stallisierte. Hierzu wurden Trocknungsversuche rnit Schiittungen aus sehr feinen, nichtporosen Glaskugeln durchgefiihrt, die rnit KochsaldWasser-Gemischen beladen waren und denen bei den meistenversuchen als Additive entweder Isopropanol oder Hydro- xyethylcellulose (HEC) zugesetzt wurde. Die Schuttung befand sich wahrend des Versuchs in einem Isolierzylinder aus Teflon, so dal3 die Trocknung durch die obere, offene Stirnseite erfolgte. Die Trocknungsluft wurde zunachst entfeuchtet ( K l , K2) , passier- te eine BlendenmeBstrecke ( B ) zur Volumenstrom-Einstellung (V) sowie einen Lufterhitzer (W3) und konnte anschlieBend rnit Isopropanol-Dampf vorbeladen werden (ZD) (s. Abb. l), bevor sie die Probe ( P ) iiberstromte. Die Masse der Probe wurde rnit

* Vortrag von f( Schultz auf dem Jahrestreffen der Verfahrens- Ingenieure, 3. bis 5. Oktober 1990 in Stuttgart.

** Dr.-Ing. F? Schultz (jetzt: BASFAG, 6700 LudwigshafedRh.) und Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c./INPL E.-U. Schliinder, Institut fur Thermische Verfahrenstechnik der Univ. Karlsruhe (TH), Kaiserstr. 12, 7500 Karlsruhe 1.

einer Waage (w> kontinuierlich gemessen und in bestimmten Zeitabstanden auf einem Drucker (DR) ausgegeben, woraus sich die Trocknungsverlaufskurve ermitteln IieB. Das leichtfliichtige Isopropanol kondensierte aus der vorbelade- nen Trocknungsluft auf die noch alkoholfreie, feuchte Schiittung. Durch die nichtfluchtige HEC war es moglich, die Gutsfeuchte um mehrere Zehnerpotenzen viskoser zu machen. NachVersuchsende konnte die Schiittung zerstorungsfrei in mehrere, parallel zur

IR n

Druckluft

Alkohol'-f

FF

w; b Abb. 1. Versuchsanlage.

1) Eine Zusammenstellung der Formelzeichen befindet sich am SchluB des Beitrags.

130 Chem.-1ng.-Tech. 63 (1991) Nr. 2, S. 130-132 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1991 0009-286X/91/0202-0130 $ 03.50 + .25/0

Oberflache verlaufende Schichten abgeschert werden (s. Abb. 2). Durch die Bestimmung der Inhaltsstoffe in jeder Schicht war es moglich, axiale Salzprofile zu ermitteln. Der Trocknungsverlauf bei Beladung mit waRrigen Salzlosungen zeigt zunachst einen kurzen Abschnitt, in dem sich die Salzkon- zentration an der Phasengrenze durch kapillaren Fliissigkeitstrans- port aus dem Gutsinnern bis auf ihren Sattigungswert erhoht. In dem porosen Korper bildet sich dabei durch die Uberlagerung von konvektivem und diffusivem Salztransport ein zur Oberflache hin

sc

zunehmende Austrocknung der Probenoberflache und das Zuruckziehen des Trocknungsspiegels ganz am Ende des Versuchs fallt die TG am Versuchsende bis auf Null ab. Kondensiert der Alkohol zu Versuchsbeginn auf die Probenober- flache, wird wegen seiner schlechten Salzloslichkeit eine friihzei- tige Kristallisation ausgelost, bei der ein feineres Kristallisat entsteht, das gleichmaBiger an der Probenoberflache verteilt ist. Dies verschiebt den Steilabfall der TG zu kleineren Feuchten und reduziert dadurch die notwendige Trocknungszeit (s. Abb. 3). Anderungen von Lufttemperatur, Luftgeschwindigkeit, Alkohol- Konzentration in der Luft und Salzgehalt haben praktisch keinen EinfluB auf die normierten Salzverteilungen. Sie verlaufen alle ahnlich und zeigen wegen des stets vorhandenen kapillaren Flussigkeitstransports eine starke Salzanreicherung an der Proben- oberflache (s. Abb. 4). Durch die dosierte Zugabe der viskositatserhohenden HEC zur Gutsfeuchte kann der kapillare Feuchtetransport stark behindert werden, wodurch das Salzprofil in zunehmendem MaBe vergleich- maBigt wird und sogar Salzanreicherungen im Innern der Probe erreicht werden konnen (s. Abb. 5) . DieTrocknungszeiten werden

Abb. 2. Abscheren der Schuttung.

ansteigendes Salzprofil aus. Die Dauer dieses Abschnitts ist um so kleiner, je groBer die Trocknungsgeschwindigkeit (TG) ist und je groBer die Salzkonzentration zu Versuchsbeginn ist. Am Ende dieses Abschnitts, der haufig durch Temperaturanlaufvorgange uberlagert ist, stellt sich der Sattdampfdruck zur gesattigten Losung ein. Nach Uberschreiten der Sattigung an der Phasengrenze beginnt dort die Kristallisation des gelosten Salzes. Dadurch werden Teile der Probenoberflache fur den Stoffaustausch undurchlassig, so daB der iiber die Probenoberflache gemittelte Dampfdruck deutlich unter den Sattdampfdruck abfallt. Dies fiihrt zu einem starken Abfall der TG. Durch den starken Abfall der TG sinkt in gleichem MaBe die kapillareTransportgeschwindigkeit, so daR sich der zur Oberflache geschleppte Salzmassenstrom ebenfalls verkleinert. Meistens geht dann der steile Abfall der TG in einen flacheren Abfall uber. Die Hohe der TG in diesem Bereich ist um so niedriger, je gr6Ber der Salzsattigungsgrad der Gutsfeuchte zu Versuchsbeginn war (s. Abb. 3 ) . Ein Wiederanstieg der TG durch ein Aufplatzen der Salzkruste trat bei den relativ schonenden Trocknungsbedingungen nicht auf. Es konnte jedoch durch einen Versuch, bei dem die Beladung zu Beginn salzgesattigt war und die Lufttemperatur iiber der Siede- temperatur der Beladung lag, gezeigt werden, daB dies bei dem verwendeten Stoffsystem auch auftreten kann. Bedingt durch die

2 , I

I

Abb. 4. Gemessene Salzverteilungskurven; T , = 50 "C, j z . , = 0, U, = 1 m / ~ , f 1 , O . s ~ = 0, XHECo = 0.

0 0.2 9 4 0.6 A 0.E 1 L

Abb. 5. Pl.m = 0,Yz3, = 0, urn = 0,2 mls, SO = 0,1, .fI,O,SF = 0.

Gemessene Salzverteilungskurven; T , = 50 "C (70 "C),

Chem.-1ng.-Tech. 63 (1991) Nr. 2, S. 130-132 131

durch HEC-Zusatz nicht verandert,weil etwa in dem MaBe, in dem Stoffiibergangswiderstande durch Krustenbildung entfallen, neue durch ein friihzeitiges Zuriickziehen des Trocknungsspiegels in Form einer ausgetrockneten Gutsschicht entstehen. Zur Abschatzung der Salzverteilung in der Probe (Gleichvertei- lung, Kernab- oder -anreicherung) wird ein Kriterium [1] vorge- schlagen, das neben den StoffwertenViskositat, Oberflachenspan- nung und Dichte die Trocknungsbedingungen in Form der Trock- nungsgeschwindigkeit enthalt und die Geometrie der Schiittung durch die Probenhohe und den mittleren Porendurchmesser beriicksichtigt. Fur die verwendete Glaskugelschiittung rnit einer engen Kapillardurchmesser-Verteilung erwies sich das Kriterium als geeignet.

Eingegangen am 16. August 1990 [K 11901

Formelzeichen

L [ml Probenhohe m [kg m-2 s-l] Trocknungsgeschwindigkeit

Anfangssalzsattigungsgrad Lufttemperatur Luftgeschwindigkeit Beladung Anfangsbeladung Salzbeladung einer Schicht mittlere Salzbeladung der Schiittung HEX- Anfangsbeladung des Wassers Anfangsmolenbruch an Alkohol in der salzfreien Gutsfeuchte Alkoholmolenbruch in der Luft Wasserdampfmolenbruch in der Luft Hohenkoordinate

Literatur

[1] Schultz, P : VDI-Fortschrittsbericht, Reihe 3, Nr. 201, VDI- Verlag GmbH, Diisseldorf 1990.

Stoffubertragung mit modernen Fullkorpern groBer Abmessungen*

Klaus Bornhutter und Alfons Mersmann**

In den letzten 5 bis 8 Jahren sind auf dem Markt verschiedene neue Fiillkorper aufgetaucht, die den gestiegenen Anforderungen der Anwender hinsichtlich geringen Druckverlustes, hoher Trennlei- stung und nicht zuletzt eines giinstigen Preises entgegenkommen. Bei den Fiillkorpern handelt es sich um Packungselemente mit hohem Liickenvolumen v (0,93 < v < 0,98), Nennabmessungen von 50 mm bis zu 90 mm und einer Geometrie, die z.T. vollkom- men von altbekannten Bauformen abweicht. Diese Fiillkorper mit sehr stark durchbrochenen Wandflachen (im Extremfall nur eine Gitterstruktur) aus Kunststoff oder Metall werden haufig im Bereich der Luftreinhaltung (Absorption) oder bei der Ab- und Trinkwasseraufbereitung mittels Desorption (Strippen) angewen- det. Die Stoffiibertragungsleistung gerade dieser neuen Packungs- elemente laRt sich mit bekannten Methoden nicht mehr vorausbe- rechnen, so daR in der Regel Versuche notwendig sind.

1 Versuch und Auswertung

Stoffiibergangsversuche in Gegenstromfiihrung an groaen Fiillkor- pern wurden in einer halbtechnischen Packungskolonne rnit einem Innendurchmesser von 1000 mm durchgefiihrt. Das Verhaltnis Kolonnendurchmesser zu Fullkorperdurchmesser war fur alle Fiillkorper groRer als 11. In dieser Anlage wurde mit dem System C02-WasserlLuft der volumetrische Stoffiibertragungskoeffizient PI. a durch Desorption ermittelt (GI. (1)). Der Stoffiibertragungs- widerstand liegt hierbei in der fliissigen Phase. Der volumetrische Stoffiibertragungskoeffizient PL a hangt von der Fliissigkeitsbela- stung uL, der Schuttungshohe H und den Konzentrationen c, und c, am Ein- und Austritt ab. Er betragtl)

* Poster auf dem Jahrestreffen der Verfahrens-Ingenieure, 3. bis 5. Okt. 1990 in Stuttgart.

** Dip1.-Ing. K. Bornhutter und Prof. Dr.-Ing. A. Mersmann, Technische Universitat Miinchen, Lehrstuhl B fur Verfahrens- technik, ArcisstraRe 21, SO00 Miinchen 2.

PL a = (uJH) ln(c,/c,) . (1)

Mit dem Absorptionssystem C02/NaOH wurde im Bereich der schnellen chemischen Reaktion pseudo-erster Ordnung die effek- tive Phasengrenzflache a verschiedener Fiillkorper nach GI. (2) bestimmt:

Hierin ist He der Henry-Koeffizient, k2 die Reaktionsgeschwin- digkeit und DL der Diffusionskoeffizient. Diese GroBen wurden nach Pohorecki [1] berechnet. Die Konzentrationen von COz und NaOH in der fliissigen Phase wurden durch Titration ermittelt (21 und die CO2-Gaskonzentrationen mit Hilfe eines Infrarotabsorp- tionsspektrometers.

2 Ergebnisse und Diskussion

Es zeigte sich, daB fur Fiillkorper der NenngroBe 50 mm aus Metall oder Polypropylen alle untersuchten Packungselemente etwa gleiche PL a-Werte ergeben (Abb. 1). Entgegen der oft gefunde- nen Tendenz, daB mit zunehmender PackungsgroRe PL a sinkt, wurden fur einen Polypropylen-Gitterfullkorper der NenngroRe 90 mm die gleichen Werte gemessen wie fur 50 mm NenngroBe. Messungen mit Fiillkorpern etwa gleicher geometrischer Oberfla- che, aber unterschiedlicher Geometrie, zeigen, daB bei groBen Nennabmessungen die geometrische Form eine wesentliche Ein- fluBgroBe ist (vgl. Hiflow 90-0 und 90-6 PP, Envipac Nr. 3). MeBwerte der Phasengrenzflache belegen eindeutig, daB diese rnit steigender Berieselungsstarke sehr wohl iiber die geometrische Oberflache anwachsen kann (Abb. 2), worauf Shi und Mersmann [3] schon hingewiesen haben. Eine Erklarung liefert die beobach- tete starke Tropfenbildung [4], welche je nach Geometrie der Fiillkorper und Betriebsbedingungen auftreten kann. AuRerdem wurde gefunden, daS Fiillkorper gleicher Nennabmessung, aber unterschiedlicher Materialien und Geometrie, im Bereich kleiner

1) Eine Zusammenstellung der Formelzeichen befindet sich am Schlulj des Beitrags.

132 Chem.-1ng.-Tech. 63 (1991) Nr. 2, S. 132-133 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1991 0009-286X/91/0202-0132 $ 03.50 + .25/0