Teil 1 Grundlagen der Auslegung von Packungskolonnen für Gas/Flüssigkeitssysteme

Transkript

1 Teil 1 Grundlagen der Auslegung von Packungskolonnen für Gas/Flüssigkeitssysteme

2 Symbolverzeichnis zu Teil 1 Formelgrößen, lateinische Buchstaben a m m 3 geometrische volumenbezogene Füllkörperoberfläche einer beliebigen Schüttung bzw. Packung a m m 3 effektive volumenbezogene trockene Füllkörperoberfläche, die von Gas durchströmt wird a o m m 3 geometrische volumenbezogene Standard- Füllkörperoberfläche a e m m 3 effektive volumenbezogene Füllkörperoberfläche A, B, C Antoine-Konstanten zur Berechnung der Siededrücke reiner Stoffe. Mit Index l für die leichtersiedende Komponente und Index für die schwersiedende Komponente. A l m Oberfläche eines Füllkörpers A e m effektive Stoffaustauschfläche A F m Füllkörperoberfläche A i Konstante A w m Wandoberfläche A s m freier Kolonnenquerschnitt B dimensionslose Flüssigkeitsbelastung C, C i Konstanten C B s /3 m 1/3 Modellparameter zur Bestimmung des Druckverlustes der berieselten Schüttung bzw. Packung für Re > C B,0 Dimensionsloser Parameter in Gl. (4-41), C B,0 C B g 1/3, unterhalb der Staugrenze C B 0,856 C C,0 Dimensionsloser Parameter in Gl. (4-44), unterhalb der Staugrenze C C,0 1 C C s /3 m 1/3 Parameter zur Bestimmung des Druckverlustes der berieselten Schüttung bzw. Packung für Re <

3 4 Symbolverzeichnis zu Teil 1 C Fl Konstante zur Berechnung der Dampfgeschwindigkeit am Flutpunkt C Fl,0 universelle Flutpunktskonstante für Füllkörper und Packungen C H DM/t Heizdampfkosten C 0 Abreißfaktor C 0, C 0,B DM/h Betriebskosten einer Vakuumrektifizierkolonne bzw. einer Normaldruckrektifikation C P Konstante zur Bestimmung des Flüssigkeitsinhaltes von Packungen und Füllkörperschüttungen bei turbulenter Flüssigkeitsströmung C T Konstante d m Füllkörperdurchmesser d i m Innendurchmesser eines Füllkörpers d h m hydraulischer Durchmesser d p m Partikeldurchmesser d R m Rohrdurchmesser, innen d S m Kolonnendurchmesser d T m Tropfendurchmesser d* T dimensionsloser Partikeldurchmesser, Gl. (-5) D kgs 1 Destillatmenge Ḋ kmols 1 Destillatstrom D V, D m s 1 Diffusionskoeffizient der leichtersiedenden Komponente im Dampfgemisch bzw. in der Flüssigkeit E K kinetische Energie f, f i mit i 1, Funktion F kgs 1 Zulaufmenge Ḟ kmols 1 Zulaufstrom F p m 1 Packungsfaktor einer trockenen Schüttung F p a/ε 3 F P, exp m 1 experimentell ermittelter Packungsfaktor am Flutpunkt bei Zweiphasenströmung F P, 0 m 1 Packungsfaktor für die Standardschüttungsdichte, F P, 0 a 0 /ε3 0 F V ( m/s) kg/m 3 Pa 1/ m 1/ kg 1/ s 1 Gas- bzw. Dampfbelastungsfaktor F V, Fl ( m/s) kg/m 3 Dampfbelastungsfaktor am Flutpunkt Pa 1/ m 1/ kg 1/ s 1 F V, * FI ms 1 Flutbelastungsfaktor

4 Symbolverzeichnis zu Teil 1 5 F V, 0 ( m/s) kg/m 3 m 1/ kg 1/ s 1 Gas- bzw. Dampfbelastungsfaktor an der oberen Belastungsgrenze F V, U ( m/s) kg/m 3 Dampf- bzw. Gasbelastungsfaktor an der Pa 1/ unteren Belastungsgrenze m 1/ kg 1/ s 1 F V /F V, FI relative Gas- bzw. Dampfbelastung g ms Erdbeschleunigung G kg m 3 Füllkörpergewicht pro m 3 Bauvolumen h m Höhe eines einzelnen Füllkörpers h V /V S m 3 m 3 der gesamte Flüssigkeitsinhalt bezogen auf die leere Kolonne h0 m 3 m 3 Flüssigkeitsinhalt bezogen auf das freie Kolonnenvolumen, h 0 h /ε h,s m 3 m 3 Flüssigkeitsinhalt oberhalb der Staugrenze h 0,FI m 3 m 3 Flüssigkeitsinhalt am Flutpunkt, bezogen auf das freie Kolonnenvolumen h st, h d, h H m 3 m 3 statischer, dynamischer Flüssigkeitsinhalt, Haftinhalt Δh V kjkmol 1 Verdampfungsenthalpie H m Höhe einer Füllkörperschüttung bzw. Packung HETP m Höhe einer theoretischen Stufe HTU 0V m Höhe einer Übertragungseinheit bezogen auf die Dampfphase HTU m Höhe einer Übergangseinheit (ΔH) i m Höhe eines einzelnen Schüttungsabschnittes i Variable k Proportionalitätsfaktor K Wandfaktor K A N Auftriebskraft K g N Schwerkraft K ψ N Widerstandskraft K 0 N Oberflächenkraft K R N Abreißkraft K η N Viskositätskraft K 1, K Konstante K 1 und Exponent K zur Bestimmung des Widerstandsbeiwertes bei der Einphasenströmung des Gases in der Schüttung oder Packung für Re V < 100 und für Gl. (3-14) K 3, K 4 Zahlenwert von K 1 und K, für Re V 100 K P Parameter in Gl. von Teutsch [16], s. Kap. 4 K ρv Korrekturfaktor der Gasdichte kgs 1 Massenstrom der Flüssigkeit kmols 1 Molenstrom der Flüssigkeit kmolh 1

5 6 Symbolverzeichnis zu Teil 1 /V Moldurchsatzverhältnis m Exponent M kgkmol 1 Molgewicht n i Zahl der Messpunkte in Gl. (-31) n t theoretische Stufenzahl n t /H m 1 theoretische Trennwirkung, Anzahl der theoretischen Stufen je Meter Schüttungshöhe N, N 0 m 3 Schüttungsdichte einer beliebigen Füllkörperschüttung bzw. Standard-Schüttungsdichte gemäß Herstellerangaben NTU 0V Anzahl der Übertragungseinheiten p mbar Druck p T mm Hg Dampfdruck der reinen Komponente, Gl. (1-1) Δp Pa Druckverlust der berieselten Schüttung bzw. Packung Δp 0 Pa Druckverlust der unberieselten, trockenen Füllkörperschüttung bzw. Packung Δp/H Pam 1 auf die Schütthöhe H bezogener Druckverlust der berieselten Schüttung bzw. Packung Δp 0 /H Pam 1 auf die Schüttungshöhe H bezogener Druckverlust der unberieselten Schüttung bzw. Packung Δp/n t, Δp/NTU 0V Pa spezifischer Druckverlust Δp/Δp 0 Druckverlustquotient r /Ḋ Rücklaufverhältnis r min minimales Rücklaufverhältnis s m Wanddicke eines Füllkörpers t u T C ms 1 Temperatur effektive Fallgeschwindigkeit eines Einzeltropfens in der Schüttung u F ms 1 mittlere Filmgeschwindigkeit u 0 ms 1 effektive Gasgeschwindigkeit, bei der ein Tropfen in der Schüttung in Schwebe gehalten wird u T ms 1 reduzierte Geschwindigkeit eines Tropfens in der Schüttung u 0 ms 1 auf die leere Kolonne bezogene Gasgeschwindigkeit in der Schüttung am Flutpunkt für h 0,FI 0 u K ms 1 charakteristische Tropfengeschwindigkeit u m 3 m h 1 spezifische Flüssigkeitsbelastung bezogen auf m 3 m s 1 den freien Kolonnenquerschnitt u,u m 3 m p s 1 spezifische Flüssigkeitsbelastung an der unteren Belastungsgrenze

6 Symbolverzeichnis zu Teil 1 7 u V ms 1 Gas- bzw. Dampfgeschwindigkeit, bezogen auf den freien Kolonnenquerschnitt u V ms 1 effektive mittlere Dampf- bzw. Gasgeschwindigkeit u V, FI ms 1 Dampf- bzw. Gasgeschwindigkeit am Flutpunkt, bezogen auf den freien Kolonnenquerschnitt V kgs 1 Massenstrom des Dampfes V kmols 1 Molenstrom des Dampfes V m 3 s 1 Volumenstrom der Flüssigkeit V V m 3 s 1 Volumenstrom des Dampfes bzw. des Gases V F m 3 Füllkörpervolumen V m 3 Volumen der Flüssigkeit V S m 3 Volumen der leeren Kolonne V 1 m 3 Volumen eines einzelnen Füllkörpers W kmols 1 Molenstrom des Sumpfproduktes W kgs 1 Sumpfmengenstrom x kmolkmol 1 Molanteil der leichtersiedenden Komponente in der Flüssigkeit x Einschnürungsfaktor, Gl. (4-9) X Strömungsparameter am Flutpunkt y kmolkmol 1 Molanteil der leichtersiedenden Komponente im Dampf y m kmolkmol 1 mittlerer Molanteil des eichtersieders y * kmolkmol 1 Molanteil der leichtersiedenden Komponente im Dampf im Gleichgewichtszustand Z, Z FI Quotient,Z h,s /h Formelgrößen, griechische Buchstaben α deg Neigung der Strömungskanäle in der Packungsschicht s. Bild 1- α relative Flüchtigkeit Δρ kg m 1 Dichtedifferenz, Δρ ρ ρ V δ(i) % relativer Fehler, bezogen auf den experimentellen δ Wert der Größe i % mittlerer relativer Fehler δ m mittlere Filmdicke ε, ε 0 m 3 m 3 relatives ückenvolumen einer beliebigen Schüttung bzw. der Standardschüttung η mpas dynamische Viskosität kg m 1 s 1 λ Widerstandsbeiwert in Gl. (3-) λ Widerstandsbeiwert für Zweiphasenströmung, Gl. (4-1)

7 8 Symbolverzeichnis zu Teil 1 λ 0 Phasendurchsatzverhältnis am Flutpunkt, λ 0 (V /V V ) Fl μ Formfaktor ν m s 1 kinematische Viskosität ρ kg m 3 Dichte σ mnm 1 Oberflächenspannung der Flüssigkeit Nm 1 für Gas/Flüssig-Systeme τ s Kontaktzeit ψ Widerstandsbeiwert für die Einphasenströmung (Dampf bzw. Gasströmung) durch eine Schüttung, s. Gl. (3-8) ψ Fl Widerstandsbeiwert für die Einphasenströmung der Gasphase für die Betriebsbedingungen am Flutpunkt ψ R, ψ 0 Widerstandsbeiwert für den in uft fallenden Tropfenschwarm bzw. für den Einzeltropfen in der Füllkörperschüttung ψ V Widerstandsbeiwert für die Zweiphasenströmung ϕ Durchmesserverhältnis, d S /d Φ Nutzungsgrad der trockenen Schüttung Φ a /a Σ Summe Dimensionslose Kennzahlen B C Fr Fr Fl * 0 η ρ g ρ η σ3 4 g u V, Fl d T u ε g d u Fr g d u a Fr g u Re a ν u d Re ν ρv g Δρ 13 / u 1 ε ε ε dp Dimensionslose Flüssigkeitsbelastung Flüssigkeitskennzahl erweiterte Froude-Zahl Froude-Zahl der Flüssigkeit Froude-Zahl der Flüssigkeit Froude-Zahl der Flüssigkeit Reynolds-Zahl der Flüssigkeit Reynolds-Zahl der Flüssigkeit

8 Symbolverzeichnis zu Teil 1 9 Re uv d Re V ν V d u Wekrit σ We Fr T V u d T T Re T ν V uv dp ( 1 ε) ν T V ρv V ρ g ε dp σ 1 ε FV 09, FV, Fl K 8. Reynolds-Zahl der Tropfen modifizierte Reynolds-Zahl des Dampfes bzw. Gases Reynolds-Zahl des Dampfes bzw. Gases kritische Tropfen-Weber-Zahl Kennzahlverhältnis der Weber-Zahl zur Froude-Zahl Schubspannungskennzahl Indizes 1 leichtersiedende Komponente schwerersiedende Komponente ber. berechneter Wert A Abtriebsteil D Destillat e extrapolierter Wert exp. experimentell ermittelter Wert eff. effektiv F Zulauf Fl gilt für den Flutpunkt i Wert einer Variable, z.b. Δp/H, HTU 0V, Δp/n t, ρ,η V im Höhenabschnitt ΔH i, i 1 n j j 1 n krit. kritischer Wert Flüssigkeit m Mittelwert min minimaler Wert O obere (bei oberer Belastungsgrenze) 0 bezogen auf Standardschüttungsdichte N 0 P gilt für Packung S gilt für den Staubereich (oberhalb der Staugrenze und unterhalb der Flutgrenze) T Kopf u, U unten; untere Grenze V Dampf bzw. Gas W Sumpf bei Molanteilen x, y bzw. gilt für Wasser bei Stoffwerten ρ, η, σ

9 10 Symbolverzeichnis zu Teil 1 Mathematische Operatorzeichen liegt im Bereich ( ) partielles Differential Abkürzungen A, [ ] Autor bzw. andere Quellen der Messdaten Abb. Abbildung BR Białeckiring BR-S geordnete Packung von Białeckiringen Fi interne Messungen TU-Wrocław, S. Filip Gl., Gln. Gleichung, Gleichungen Kap. Kapitel u interne Messungen TU-Wrocław, Z. Ługowski max. Re gültig bis zu einer maximalen Reynoldszahl der Flüssigkeit, vgl. Tabellen 4-4 zu Kap. 4 und 5-1a-c zu Kap. 5 Mc interne Messungen TU-Wrocław,J.Maćkowiak mk mit Kragen MP Messpunkt Nr. NSW Füllkörper der Fa. Norddeutsche Seekabelwerke ok ohne Kragen PR Pallring RA Randabweiser RK Rohrkolonne mit fluchtend angeordneten Füllkörpern RR Raschigring S geordnete Füllkörperschichten s. siehe TSB Tropfen-Schwebebett-Modell Werkstoffkennzeichnung K M P PE PP PVDF Keramik (Steinzeug oder Porzellan) Metall Porzellan Polyethylen Polypropylen Polyvinylidenfluorid