Obwohl Packungskolonnen zum Energie- und Stoffaustausch für nicht schäumende Bedingungen derzeit sehr zuverlässig ausgelegt werden können (Maćkowiak, 2010), war die Auslegung einer Packungskolonne für ein möglicherweise schäumendes Stoffsystem mit großen Unsicherheiten behaftet. Beim Auftritt von Schaum in Kolonnen sind hohe Druckverluste, ein Rückgang des Stoffaustauschs und unerwartet geringe Durchsätze die Folge. Die Auslegung von Packungskolonnen für schäumende Medien, wie sie in den Wirtschaftszweigen der chemischen Industrie oder auch Sauergaswäschen (Kokereigas, CO2-Sequestrierung, etc.) zum Einsatz kommen, konnte bisher nur mit unbegründeten Sicherheitszuschlägen erfolgen. Diese führten meistens zu einer unnötigen Überdimensionierung. Bei einer Auslegung ohne entsprechende Sicherheitszuschläge führt Schaum zu einer erheblichen Betriebseinschränkung bis hin zum Abfahren von Anlagen. Alternativ sind aufwändige und kostenintensive Pilotanlagenversuche erforderlich. Tritt Schaum dennoch auf, sind die Suche und der Einsatz von geeigneten Schauminhibitoren notwendig. Hinsichtlich einer zu erwartenden Schaumneigung in Packungskolonnen war bisher keine Vorhersagemöglichkeit bekannt: Weder kann die Schaumneigung eines Stoffsystems auf Basis von Stoffwerten beschrieben werden, noch stand eine anwendungsfallgerechte, experimentelle Qualifizierungsmethode zur Verfügung. Bekannte Schaum-Testzellen berücksichtigen weder die in Kolonnen durch die vorherrschende Strömungsdynamik und die Anwesenheit einer Packung hervorgerufenen Scherkräfte, noch den schaumbeeinflussenden Flüssigkeitsrücklauf. Die Projekterkenntnisse bestätigen den Einfluss beider Faktoren auf das Schaumverhalten.
Im Rahmen des AiF-Projekts Nr. 16073 wurden daher systematische Fluiddynamik-Untersuchungen in einer Scale-up-fähigen Packungskolonne DN 300 anhand diverser schäumender Stoffsysteme und sieben Packungen (regellos und strukturiert) durchgeführt. Zudem konnten schaum-phänomenologische und fluiddynamische Erkenntnisse gewonnen werden. Es hat sich gezeigt, dass fluiddynamisch belastbarere Packungen (hoher F‑Faktor, hohe Flüssigkeitsbelastung) gegenüber der Entstehung von Schaum vorteilhafter sind als Packungen mit geringerem Lückengrad. Diese Erkenntnisse dienten als Basis für die Entwicklung einer auf Packungskolonnen übertragbaren, neuen Schaum-Testzelle.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass konventionelle Testzellen nicht praxisnah genug sind, um eindeutig übertragbare Ergebnisse zu liefern. Als ein möglicher Grund wurde hierbei unter anderem der fehlende Flüssigkeitsnachlauf identifiziert, welcher in Packungskolonnen prozessbedingt fortwährend auftritt und sowohl schaumzerstörend als auch schaumstabilisierend wirken kann. Vor diesem Hintergrund wurden zur Identifikation auf das Schaumverhalten relevanter Einflussgrößen systematische Untersuchungen durchgeführt. Dazu wurden in einer neuen Testzelle schäumende Stoffsysteme hinsichtlich deren Berieselung, Begasung und in Kombination mit Scherkörpern untersucht. Durch die im Rahmen dieses Projekts entwickelte, neue Schaum-Testzelle lässt sich nun ein Stoffsystem über zwei experimentelle Versuche qualitativ auf dessen Schaumneigung und deren Intensität in einer Packungskolonne klassifizieren. Somit lässt sich der experimentelle Aufwand bei ungewisser Schaumneigung stark verringern und für den Fall eines bekannten Stoffgemisches darauf evtl. sogar vollständig verzichten. Die an Packungskolonnen angepasste Testzelle kann in Zukunft Unternehmen dabei helfen, ein mögliches Schaumproblem bereits frühzeitig zu erkennen und entsprechende Schritte einzuleiten.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema vom 05/09 bis 01/12 an der Technischen Universität Berlin, Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik, Fachgebiet Dynamik und Betrieb technischer Anlagen (Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin, Tel.: 030/314-23893) unter der Leitung von Prof. Dr. G. Wozny (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. G. Wozny).
Das IGF-Vorhaben Nr. 16073 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.