Ontwerpregels voor een tegenstrooms vloeistof-vloeistof extractiekolom gepakt met Sulzer statische mengelementen

·

Jan.

1

f

/ I / I

.

I )

,

,

,

I ; ) I

ontwerpregels voor een tccunEtroo~s vlaeistof-vloeistof

- een fabrickGvooro~~~crp 2Dn de TE Delft -januari

-1

98

4

auteur:

ernst m. visser rolBndholstlaan 260 2624 GL Delft hoogleraar:

A.G.

Montfoort beg8leider: S.J. Jé)ncic \ l , "!,, 'f_"'--- .

/-

(-

'.

-tj J_";. I ," $" t 1_. '

-.

---""

I

---=--'

J I • I I > ,

"

, .' "

,

I

,

I I ) ) I

De cP-T-'acitei_t, 8xi8.10 n~e)1giI!0 C:1 óe cl:.ofoverd!'ocht V8r: .~';\;l7.er

5t~ti6chA mengelemellten werd bepacld ~cl. bc~ulp v~n verschillende

test6yste~en teneinde deusdeJijke on~rpregelG te kunnen ofstellen.

De floodins en de boldup in de )';0100 (zolder stofoverdr8cht) bleken het b0!';te voor!:;peJ.d te kurLlen ',',orden ~_«or G..e relD~ie 'lbO t\er.w::1 (0

0::-spronkelijk ontwikkeld voor sproeikoloc~cn), wannee: hierill Ce Vn "-gelijking V00r de karakteristieke druTpclsnelh2id enlg

.

zlDG

.

wer~ ~p-n-

-gepast.

De aaDwe~igheid van stofovcriract t beinvloedde nauwelijks de druppe l-grootte bij het systeem met ecn lage ~renG~l~hspGnnin~, bij het systeem met een ~ose grensvJ?kspanning bracht dil een aan~ienlijke vel·kleinin~ van de druppelgroottp teweeg. De capeciteits- en holdup- rneti~ge~

wijkeD bij s~ofoverdracht naar de druppel niet veel af van de metinren zo~der stofove~j~acllt. Bi j stofoverdracht uit de druppel stijgt de capaciteit echter aDnzienlijk door een toegenomen coalescentie vanwege grensvlakinstabiliteiten.

De oversll-stofoverdrachtsco~ffici~ntec van beide sys~emen bleken goed voorspeld te kunnen worden wanneer voor de disperse fase gebruik werd gemaakt van het penetratiemodel van Higbie (met een coalescen

tie-tijd betrokken op de lengte ~an een Sulzer-element). Voor de continue

fase werd het model van Garner en Suckling sebruikt. Vo~r beide systemen

bleek de axiale dispersiecoëffjciënt in de continue fase evenrAg

toe te nemen met de disperse fase snelheid. Bij niet al te kleine waarden van de holdup kon de axiale menging in de disperse fase

ver-waarloosd worden.

Met behulp van de correlaties voor de capaciteit, de axiale menging

en de stofoverdracht is het mogelijk om uitga2nde van éen bepaalde scheidingsgraad, voor een kolom gevuld met Sulzer statische

mengele-menten, een redelijke schatti~g te geven voor de diameter en de hoogte

va~ de kolom. ~anneer er stofoverdracht vanuit de druppel fase plaats

-vindt dienen er aanvullende experimenten gedEan te worden.

I ) I ) I )

---

-1. inleidilig 2.. ui tvoering

3.1

inleiding

3.2 voorspelling va~ de druppelgrootte

pagina 1 2

I

I~

3.3

voorsgelling v~n de kar8kteri~tieke dJ'upp~lsnel~cid ?

7. I.L

. / ' , voor::;pelling VR~:' de flooding voorsfelling r.olebp

~.6 invloed van de ttofove~dracht op de hydroiynamica

4.

stofoverdracht

Jf~ .. ~ 4.1 inleiding

5.

6.

4.2 voorspell ing van de stofoverdracht8co~ffici~nt

4

.

3

voorspelling var de axiale me~ging

4

.

4

i nvloed va~ de richtinG van stofoverdracht op de stofoverdrpchtseffici~ntie

eval uatie en concl usies

7.

l iteratuurlijst bijlage 1

7

9

o /

23

23

24

3

1

3

1

37

39

,

----

---'.

Dit febrieksvooro~t.(rp behandelt de ontwerproute V3D een extraetie-kolom gepakt met een Sulzerpakk~ng. Deze gestapelde rak~ing heeft

ecn zeer regelmati~c geometr~c, w~ardo0r ie vlcej.stofverdeling in

réJdiólE' rici:ting ZEeT' goed is. tDr;,

oe

TH De] ft. is o!11angG een

vier-jarig ontierzoek afgerond, i~ ~a~enwerking ~et cie firma Gebr~der

Sulzer

A.G.

te Zwitserland, Ban~Aande

de

toepasbaarheid van deze me~g­

elementen als rakki!1g bij tegel,~trooms vloEist·)f-vloeistof extractie. In het k&der varl dit onderzoek werden metinge~ verricht ean

verschil-lende testsystemen met als doel het opstellen vun ontwerpregels betreffende de capaciteit, de axjale menging en de stofoverdrbcht.

Jit verslag is ni8t bedoeld ~ls een soort samenvatting van dit

onderzoek maar poogt uit de deels tegenstrijdiGe resultaten een in-tegratie te bewerkstelligen waardoor een deu;delijk ontwerp van een

extractiekolom gevuld met Sulzer statische mengelemente~ mogelijk is. Dit verslag is dan ook niet een fabriek6vooront~erp in de eigeJijke zin van het woord maar meer een uitgebreide behandel~ng van een belangrijke fysiscte scheidingstechniek w&oebjj de recente ont

wik-kelingen aan bod komen.

-2-2. uitvC!él'?nr,

Voo r het 0 n Cl E' r: 0 ek e a n cl E'

.s

u 1 z p r [; é;)\1, i r. g zij n .:. l' fe i t e v ier t c s L

-systemen gebr~ikt. Deze tcstsystemen bestonden uit een binair ~eDssel

von water (meestal aJ.s continue fa~2 Gebruikt) en een or~anische

stof. Door ecn geschikte keuze van de orGanisc~e stof werden er

resul-taten verzameld over een groot bereik van het dichtheidsverschil en de

grensvlRkspanning. Voor de ~etingen ~on de capociteit en de axiale

menging werd er gebruik geffia.kt van deze binaire ~engsels; voor de

stofoverdráchtsn,etin[cn werd élan deze mengsels ecn stof té:et'-E'.'cegd

met een gunstige verdelinSbco~ffici~nt over het menGsel. ln tabel 1

worden de vier systeceu vermeld met hun be:angrijkste fysische

groot-heden.

In hun afstudeerverslag icven Splinter en Visser (1) een

uit-gebreide samenvatting van ~ip wat aan welk systeem heeft gemet~n.

Alleen d~ metillE'en Dan systeem 11 zijn in Zwitserland verricht.

De beschrijving van de Sulzcrpakking, de meetopstelliag en de

ver-werkj.ng van de meetresultaten zijn uit[ebreid behandeld in de

vor-scliillende afstudeerverslagen (bibliotheek laboratorium

apphraten-bouw procesindustrie een de TH Delft), zodat er hier niet verder op

wordt ingegaan. Ook de theoretische ach~ergronden van extractie

worden hier niet uitgebreid behandeld, hiervoor zij verwezen naar de verschillende Etandaard~crken 0' dit gebied.

tabel 1 de vier gebruikte testsystemen (water als continu)

7

c1.1c 3

Pd b.0

l

"

c

.10./ onderzoek overdragende kg/m

3

\ 7 ₂ t,.n-/ ,:J _{Ns/m N/m} .~o nl

systeem I

847

139

1.45

1.63

Célp;am;so 1) barnsteenZU1,.;r n-butanol/water

systeem 11 860

136

C:.80

36

Capj50 aceton tolueen/water

s;ystEé:m 111

8G7

192 1.08 40 cap kerosine/water

systeem~IV 158~-

586

1.00

45

cap; amjso propionzuur

tetrachloormethaan/water

1 )

cap:capaciteit, am:axiale menging, sc; stofoverdracht

-3-Een <:h 1vo·üè.igcllél&t \,(jur è.c ce.rf;citeit in de kolo'!! i~ de reLstieve

snelheid U

r (oo~ . weJ ' . ae sl ' ~lJH~e J " d .nel

afhankelijk van de fasensneltelen e~ de holdup:

u

c + 1-x x

deze is als vo]~t

Dez~ rel~tieve snelheid is het product van de v&l(stijg)snel~cid ven de druppels (bij Uc:::O en U

d-

7

0) en van een )--i()ldupé'lfhDnkeli~l·;.e fu~ctie •

u

=

U •

re

x)

~ 0

De U i s dus de snelheid vall ec-, enkele dril.ppel door de pakking, en o

wordt VBak de karaktcrictieke druppel snelheid senoem3.

• • ( 2 )

In het verleden iE veel onderzoek gedaan naar de vraag hoe het beste ..

U

voorspeld ken worden uit de sto~gegevens en naar de aard var. de

o

functie f. Voor de voorspelling ven de vrije valsnelheid dient vaak

de druppelgrootte bekend te zijn, ook deze k&n uit de stofgegevens

benaderd worden. In de paragrafen 3.2 en

3

.3

worden de experimentEle resultaten van de vier testsystemen vergeleken met de diverse literat~ur­

correl ati es. In de paragrafen

3.4

en

3.5

wordt ingegaan op de aard van

de functie f in verg(2). Uit de l iteratuur i s bekend dat voot de

ver-schillende extractortypen vaak verschillende gedaantes van

r

geldis

zijn, zodat deze functie een beper~t voorspellingsbereik heeft.

Wanneer nu, voor een bep~~ld extractortype, U en f bekend zijn

o

kunnen ~et behulp van verg(1) el1 (2) de holdup en de flooding voo

r-speld worden. De flooding is een zeer bel angrijke grootheid omdat dit

in wezen de maximale belasting VRn de kolom weergeeft terwijl de holdup

belangrijk is voor h~t bepalen van het stofoverdragend oppervlak in

de kolom. In de laatste paragraaf wordt ingegaan op de invloed van de

stofoverdracht En de stofoverdrachtsrichting op de capaciteit van

-Lj

-Voor druppeJs in cven~icht en bij ecn snelheid gel i jk aa~ nul in ecn ger3kte kolom geldt: (2)

do·

~0'

d:::

'1,/,2

t\·2

Ve aldus gevonden d is ecn zw&kke func ti e van de fesensnelheden: a

d U .X

=

0 à U

a d

o~ nu de druppelgrootte bij een ~illekeurige snelhejd te vinden xoet . , ( j )

• , (li-)

de holduprel~tie (de afhankelijkheid van de hol dup vee de f&Ee~3~elhGden)

bekend zijn. Voor de c~derzcchte systemen bleek echter de drupp el-grootte niet of nauwelijks af te hangen van de faEensnelheden. (OO~

vanwege de niet aJ_ te nauwkeurige tepaling VRn de druppelgrootte door middel van fotos), All een bij het syetcem tetr&-water werd bij lage holdup waarden (tet 20 vol~) een kleinere druppelgraotte gevenden. Dit komt kwalitatief overeen met vcrg(4); in het algemeen geldt dat de verhouding x/U

d gro~er wordt bij hogere waarden van de holdup door de toenemende hindering van de druppels. Voor de onderzochte 8ysteme~

bleek verg(3) echter een redelijke benadering te geven van de eXFeri

-me~tele druppelgrootte (zie taLel

2),

zodat de haldupre18tie !,jet bekend hoeft te zijn.

Voor de druppelgrootte heeft Sulzer de volgende vergelijking ef-gel ei d

(11-

)

=

0.21 (

8

U2 ~ -0.5 • • Cl., C'. r n) . Cf

0

.

U .d 0.15 (_' r h)

=

f'<

--0.5 0.15 0.21 .,! .. e Re

Het nadeel van deze vergelijking is dat voat toepassing de relatieve snelheid U bekend moet zijn. In tabel_2 staan de resultaten voor de

r

systemen I, 111 en IV waarbij een ge~iddelde waarde van de U ge

-r

bruikt is. Voor systeem 11 is ~e U

r onbekéod. Uit tabel 2 blijkt

dat verg(5) een slechte v?orspelling van de te verwachten Sauterdie-meter geeft (vooral voor systemen I en IV) en het is verbazend dat Sulzer zelf deze vergelij~ing gebr~ikt.

-5-ti~bE'l 2 :le eXi,crir:}entele àruppelt;rootte en die voor~;pcld door

SJrstpem exp _d

3 .

2 d 0 (vergU)) [:;e"n. U r cL" ,./

.

2(\le1';;(5))

mm

ffi1) :n/s rnrn I 1

.

..,

I, _{; .2}

_O.G273

_2.8 11

_5.5

4 7, ' / 111 L;.5

₃

_·

₉

o

.o

g?

5.'7 IV 2.0

₂

_·

₃

0.1

_5.2

Tabel

3

geeft een voorspelling van de

U

met behulp V9n relaties

o

uit de liters tuur voor de vier onderzochte systemen. Deze relaties zijn beschreven in bijlage 1. In de eerste regel van deze tabel is de

experir:1en tele U

o voor ujt de lnU -x _l' Rrafiek_~ ,

de vier syste1:cn opgeno~en. Deze U

o

is bepaald figuur 1. Het ge~xtrapoleerde snijpunt met de y~as geeft cic

U

O' dit is het punt waar de boldup gelijk aan nul is,

en dus waar de druppels geen hindering van elkaar ondervinden.

Voor systeem IV waar in het begin de druppelgrootte sterk varieert. is deze extrapolatie ,;Ioeilijk en de geschatte vi3.arde voor de U op

(0

zijn ~inst twijfelachtig. In de relaties van tabel

3

waar~n een drup-pelgrootte moest worden ingevuld is de U

o

uitgerekend zowel met de experinentele druppelgrootte als met de d u i t verg(3).

o

Uit de tabel blijkt dat de druppels PBuwclijks hinder ondervinden

van de pakking omdat de relaties voor ie val/stijgsnelheid van drup-pels in een lege kolom (3,~.5,6) redelijY oV2reenkomen met de experi-mentele waarden. Hiermee stemt overeen dat de beste relatie uit de

literatuur voor gepakte kolommen

(9)

een te lage waarde voor de U

_o

voorspelt.

Opvallend is dat de experimenteel gevonden waarde voor de U

o

van

-0 • • . . , , -'

systeem 11 veel lager is dan de vrije valsnelheid. De verklaring

is dat dit systeem als enige niet in Delft onderzocht is en waarbij

waarsch~jnlijk een ander type pakking gebruikt is met eec kleinere

hydraulische diameter d

h• 'Voot het systeem 11 geldt voor de minimale kritische dh:

cl

kr

...,

13

mm •• (6 )

-6-~erklaart. Dit beeld wordt kwantitatief Levectigd door rela~ies voor

[jei'2Lkte kolo!l:rr,en waarin de d

h voorko,:'t (9) of die wt::::rin de vcrL0uJing

E/

a ','.'ord t gcbrdkt (10). Eer: lagere W0é3rde voor de cl of de

h vc rhouè. i.r"J g

L/ê

geeft een J2.[;cre V(lol'~''pelli!1g voor de UO. Voor de '3y~3te:ner. 1,111

en IV blijkt de reJati," \'Dn Rer:1on(7), oorGpronl·.elijk ontwikkelt vorJr

sproeikolommen, dp bebte voorspeJlende waard0 voor de U

o

te gevc~.

Het blijkt dat deze rel~tie de systemen, ook wat betreft de holdup

en floodjnGreJat.ies (zie de volGende pen'grafen) beter kon beschrijven

indien voor de co~stsnte 0.535 in pl aats van O.G wordt gebruikt.

Dit k3n eDnne~elijk woróen GemaRkt door aan te nemen d~t dc Sul zer-pakking een kleine weersta~d aan de drupre1s oplegt die op deze wi jze

in de relatie ~ordt meegenomen. In het vervolg ~orjt deze relatie

aangeduid met HemanII.

tabel 7, _{de experi!ne:1 tel e en de ver' 5 ( 1; i 11 e n ct e l iteratuurvoorspellingen}

. /

van U

0 voor de vier s y [d, e in en . Voor d c' à* erl s , zie b~jlage 'j

I '

_Ua

_I'I:

_U"

_III , IV: U

u U

o

0

mis

mis

mis

m

i

s

exp . 0.031 ').049 0.096 0. 135 lito (3) d =2.4mm 0.046 d ;::4.3 0.119 d =4.2 0.137 d =2.6 0.144 c c c c rr.e t d 0.042 0.119 C.137 0.159 0 (4),(5) d*=12 0.035 d*=70 0.16 d*=52 0.153 d*=35 0.147 met cl 0.030 0 0.125 0.133 0.162 (6) 0.129 0.134 0.1: .. 8 met d 0.111 0.122 0.161 0 (7) 0.035 0.102 0.111 0.148 RemanII 0.0312 0.091 0.099 0.132

(

8

)

0.062 0.132 0.148 0.202 - -3 .. 3 .. l (9) s=4, 7.10 0.036 ;,0 - " --~ ~ = 1,1+6 :!c 0.037 5=3,13;10 0.062 (10) 0.0/r7 ? 0.055 0.096 ( 11 ) 0.021 0.059 0.062 0.059

··7··

In de literatuur wor3cn de floodingrel atics voor cep~kte koloxmen

~eeGtal gepresenteerd in de volge~de vorm:

1 1

"1 ~

U ~+}:1·Uf=k? •. (7)

C J. C ,.

Volgens 3chootstra(12) beGchrijven dez~ rcl~ties het floodingge~rag

in de Sulzerkclo~ ere ~lecht en daarom ~~rden de~e relatiee tiGr niet

behandeld.

VolBens Thornton (13) geldt de volgende holdup-flooding relatie:

u

U

ct c

E'

U ~ - - + - - -

=

E

·

U

O' ( 1 -x)

r

x

1-x

In deze vergelijking i s f dus gelijk ean Cl-x), zie paragraaf 3.1.

Ver~( 8) i s een van de meest gebruikte riet-empirische vergelijking voor het voorspellen vo.:!

het

floodinggedr2g en wordt zowel ~ebruikt

voor (on) gepul SC\~ roe gepak-::e en zcefpleat kolommen als voor

de

R

DC.

Bij flooding geldt:

dU

d

I "

JU

c

I

0

OX

Iu,

=

0x U

c a

Differenti~ren en uitwerken van verg(8) levert een relatie voor de

fasensnelheden bij flooding op:

•• (10a) • • ( 1 Ob)

Volgens Reman

(7)

eeldt (onder toevoeging van

t

,

om de relatie

betrek-king te laten hebben op een gepakte kolom) :

E'U _r

=-'iJ c

+ 1-x

Hierin is

0

de tangens va~ de ~ellin3_ !an de lnUr-x grafiek (fig 1).

Volgens dezelfde werkwijze als hierboven is afte leiden:

U cf

=

(1- p.x);f. .Uo.exp(-e .x)(1_x)2 U d f

=

(1 +

(:> -

t

\

.

x). [ . U 0'. e xp ( -

(2

.

x )x 2 · • ( 11 ) • .(128) •• (/12b)

In deze relaties kunnen de U

e en

0

gebruikt worden die e:geleiè. Viorden

uit een InU -x cr.;:lfiel':j maar interessc,nter (en bij gebrek aón p

rak-r

tische gegevens handi~er) is het om in deze relaties de theoretische

-8-U

_o

de best0 sch~ttlng geeft voor de ünderzoctte systemen:

u

°

=

°

r::2.<:;

C

l.

~ ,.)0.22 ('f 0.j3 • ;;././ .'> \_"_·->.r,~ _ _ _ ·· n O. ~tL, ) I 0.11 \~L

.

'

-/',

(.') kan als vulgt gp.f:chat ,:\orden uit de Gtof.t-ór,;;:.:et.ers (7) :

1 - ,...

~;1 !-:, \

, Lt) • • \ 1 :

Voo r e e n s y s tee :1, ,d.::; t e t r 8 .- '.'; a ter \'; D '" l' de l r: U l' - X (ST a f i ek ge en :c E c h t e i s

r,l8 a!' een cO:1:ple): e rc~18 tie k \l nne n de groo tb 2 äcn 1.:

0 en

r'

nitd. c cn voud ig

bepaald

worden

uit

een

In

figuur 2 zijn de teq1cn in een

ut

_{d -}

p~

_~c

.

lnU _·x grD ficl-:..

r

experimenteJc floodingpunten van de v:i .. er sys-in de gr afiek

de relaties vón 'l'hornton en RWEón uitgezet rr:et. voor U

o

en

0'

de

theo-retische (semi-empirische) wD2rden (zie ook tabel

4

t/m

6).

liet

blijkt àat de relatie van Rerr.nJ1 de îloodinGPunten goed kéln be.:::.chrijver ••

De relo3 ti e van 'I'hor n to., Lee ft in he t algeme en te l ê ge ~!élé:'rderi veor

de flooding. ~anneer in de relatie van RLman de experiffientele ~aarden

voor U

o

en

(>

van G.)'steer:ï I en 111 gebruikt worden treedt geen ve

r-betering op. eok hier blijkt het systeem 11 af te wijken. O~valle~d

is dat dit systeen beter te beschrijven i E met de Rexan-relatie

wan-neer voor de U

o

verg(13) gebruikt ~ordt dan wanneer de experimentele

waarde van ie U

o

gebruikt ~ordt .

In grafiek

3

zijn de floodingrunten weergegeven als de maximale

capaciteit bij flooding als functie vee de faseratio. eok uit deze

figuur bl~ikt dat de relatie van Rema~ de systemen goed kan besctri

j-ven. De maximale fout is in het algemeen niet groter dan 10%.

Wanneer de experime~tele ~aarden van

uo

en

0

gebruikt worden treedt

een lichte verbetering op. Het nadeel van verg (12a+b) iu dat de holdup

niet eenvoudig te elimineren is zodat een trial en error methode om

de floodingpunten te berekenen noodzake~ijk is. Opvallend is dat voor

systeem 11 de maximê.le fout' nie t erg groot is i alleen bij een

fase-ratio kleiner dan één is de berekende c8paciteit meer dan 10% groter

.

I

-9-ka~ ~et behulp van cen holj~p-reJhti(, de holJup in de kolom worden geschat. Omdat uit v~rig cnierzoek (12) bleek dat voor systeem I de holdup--:'clo.tie von Ef'm,3n het LeL-t voJ.deed (ve1'g:1), is deze rele:ie ook 0 n J. e l' Y., 0 c h t voo l' d e t, ;y s t el:i t? 1, I I I en I V. (f i g

4

t / m

6

).

In deze figuren zijn ~oNel de experi~entele als de 3emi-empirischc

viaarden voor U o

3.4)

•

I"> 1'. (-, '- -' \

getruikl, behalve voor syEtecm IV (zie paragraaf

liet blijkt dat de holdup-rcl~tie van ~e~an de drie systemen redelijk

tot goed kan beschrijven mits men n~et te dicht in de tuurt VDD het floodi~gpunt kcmt. Als men de beschikking heeft van de experimentele ~aBrde vab de pnr&ffi2ters geeft tiit een kJeine verbetering. Opvallend

is dat de lijnen met tie hoogste U.-waarde slecht te beschriv~ven ziJ'n.

G

In de figuren zijn ook de floodingpunten ingetekend die met be~.ulp va~

dezelfde relatie kunnen worden berekend (zie de vorige pargraaf).

Uit de figuren blijkt dat voor systeem I en IV de berekende holdup bij

flooding een stuk l ager is dan de experiwelltele waarde. Uit

bedrijfs-technisch oogpunt is de holdup bij flooding echter niet zo interessant

omdat op 70-80% van flooding gewerkt wordt.

3.6

invloed van de stofoverdracht op de hydrodynamica

I n het algemeen geeft de aonwezig~eid van een stof die tussen beide

fasen getransporteerd wordt, een verlaging van de statische

opper-vlaktespanning tuscen beide fnsen. Dit heeft zijn invloed op de

drup-pelgrootte. Een ander punt i$ de dynamische invloed van

grensvlaktur-bulenties en Marangoni-instabiliteiten. Hierdoor kan er

druppelcoales-centie optreden waardoor de capaciteit_fiterk verhoogd kan worden.

Bij stofoverdracht uit d e druppel wordt de vloeistof tussen twee

druppels extra verhoogd met overdragende stof waardoor de

grensvlak-spanning daar plaatselijk daalt. Tengevolge van de

grensvlakspannings-grbdi~nt wordt de vloeistof tdssen de druppels 'weggezogen' naarna

coalescentie voiligt. Voor de systemen I en IV is de invloed van de

stofoverdracht o~ de druFpelgrootte, ëe capaciteit en de holdup bekend.

Voor systeem I werd geen merkbare ve~andering van 1e druppelgrootte

ontdekt bij de aanwezigheid var stofoverdracht. Uit de figuren

7

en

---} I } I I

•

, I

8

blij~en de metin~en van van Lent (1~) voor sLofav21dr~c~t n2~r de druppel niet veel Af t e i'ii.jl:ell VHD de r.,etjngcr: door SC~Joot~3tra (12) zonde .. ' stofovc!'èracht. rit figUlll'

p,

b1:i.jtt. :Jat de holclup

.:t

10% l:~c'?r is. De oorzéié:.k hi.ervoor is \":J&..r~;c:hijr.lijk Llut j-,et grensv.l.Ck8e·/.C(;l: -l i jker is geworden w20rdoor de druppel snel ler kan stijgen c~da~ks

de verlaging va~ de ctB:iEc~e gren5v]aksp~~ning. Bij stoftran~port

uit de druppel vind er een grotere verlaging van de holdup pl aats en

dus i e er een hogere CAp2c~teit ~ogclijk teng~vülge van coalescentie

door de invl oed von ~ar2ngo~i-inst~biliteiten.,(zie fig

7)

Bij systeem

IV

ge"::t de eanwezigheid van propionzuur hcl eem merkbare verkleining van de druppelgrootte door de verlaging van de

Bt~tische gren6v!Dkspe~ni~g. Deze verklei ni ng komt ongeveer overeen

met de druppelgrootte bercl;end uit verg(3) wanneer er cic lagere

(

~

30.1 Ö

3

Fi rn) gre nsvlé:kq:;ann ir;g::ord t i ngevuld. Deze kleinen, drui,pe 1 geeft een i ets kl einere slipsne:hei d en holdup (max. 10%) voor

stof-overdracht naar de druppel dan t ij het systeem zonder stofover~racht.

(zi e figuur 9 en 10). Ook bij di t <"ysteem bli jkt bij stofoverciracLt uit de druppel er een grote verhoging van de slipsnelheid resp. een sterke dal ing van de holJup op te treden vanwege i nst abi el gedrag van de druppel resulterend i n coalescent i e. Bij di t systeem is het

instabi ele gedra~ vrij grill ig en sl echt voor spelbaar.

Uit de l iteratuur zijn er niet veel onderzoeken over bovenst aande

verschijnselen bekend. Ko~asBwa en lngha~ (15) onderzochten het ef fect Vbn de stofoverdracht voor twee systemen i n een kolom gevuld met

8

m~

Raschig-ringen. Het systeem methylisobutylketon-azijnzuur-water gaf

bij stofoverdracht ui t de organische Jruppelfase een verhoogde dru~­

peldiameter vanwege de toegenomen coalescentie. Bij omgekeerde bto

f-overdracht daalde de druppeldiameter.

Dit verschijnsel trad biet op bij het hogere grensvlakspanning

-systeem tolueen-aceton-water. Bij di t systeem echter was de

hydrau-lische diameter van de pbkking kleiner dan de kritische di&meter

waardoor de druPgelgrootte bEp&Lld werd door de lege ruimtes tussen

de pakking. Bij di t la3b,te systeem

v

,

-

a

-

-S

-

de holdup aanzienlijk groter

bij stofoverdra=ht naet de druppel fase vanwe~e de afgenomen coa

les-centie. Bij omgekeerde stofoverdracht was de holdup iets l ager d~n

zonder stofoverdré:cht. Bij het eerste systeem vond iets dergelijLE'

plaats.

Eender et al (16) onderzochten het systeem tolueen-aceton-water

aan gepulseerde gepakte kolommen. Ook ~ier kon bij stofoverdracht

uit de druppel een aanzienlijke hogere belasting bereikt worden dan

-11-van RSrr.Qil (verg( 12)). Vcor U

o

e~

r

zijn de eX9d ':i::;e!:-tele

wé)é;lrden \l~t f:i.gt:tr i gebr·,j./J. py[~te,=rr: I U 0 == 3 1 .1+ m::l/ S

(!>

=0. ::,0 systeem 111 U

_o

=108 r:;:n/ c r~1 .0 Djf Iy.m/,:;

6.8

4

.

9

3.3

2.2

2

6

20

1

6

12 ., 70Q .. ' • . / j u

0.250

0.56

4

0

.

312

u

_Cl

"

mm/~ !.,

.

50

9

.82

12.7

4

.

'?1

1

0.6

16.

3

23.8

0.708

0

.

33

6

0.

1

73

5.52

1.

89

0

.

98

0·50 c"p ) / 2 , In rIl .nr

46.0

5'1.1

58.0

120

119

139

tabel

5

ider:; aan tabel

4,

voor U

_o

en

0

ZlJn resp.

v

erg

(1

3)

en

(14)

Eebruikt. systeem I UO=31.2 mm/s

0

=0.74

systeem 111

u

_o

=99 m

:n

/

s

~

=0.

8

56

systeem

IV

u

_o

=132 mm/s

0=0.85

systeem 11

D 0=91

F.

.

;n/

s

~

=0.87

D

df

mm/ s

6.

8

4.9

3.3

2.2

26

20

16

12

25.5

19.1

14.2

11.

8

23.2

11.5

6.07

c

.49

9

0.

308

0.242

0.590

0.476

0.Lo4

0.333

0.460

0

.

375

0.309

C

.275

0.577

0.342

0.22

9

U cf mm/s

3.

15

-'T

5

.

55

8.47

11.41

J-i.60

9.93

15.07

21.84

14.65

2

3.7

33

.0

39

.0

4.56

19

·1

32.8

2.16

0.88

5.65

2.01

-:.06

0.55

1

'.

74

0.8

1

o.

LI3

0

.30

5

.09

0.60

0.19

cap

3

2 m /m .hr

4

0

.7

45.8

53.0

119

116

'12

1

132

156

167

184

198

108

1

20

151

,

I sys tee: I

U '-'31

_o

_.

' ) .r- ,y'm/e H ~.i L:) systeem 11

L'0:::91

~nm/s Sj st. e e::. I I I U O

=99

mm/s systeem

IV

UO=132

mm/s

u

ei f n: Jt

1'0/ "

I . -..)

.

6.8

1+ • ')

;.3

??

2;,.2

11

.

.J

6

.

07

26

20

16

12

25.5

19.1

11

j

.

2

11.

8

-12-x f l; cf :~lm/ s

0

.47

2

0.17 L,

o

.

;:66

3

.1

0

c.232

6./+9

C;.221

9

.

77

C.5:,j

-1.9

O. y!6

14.4

0.214

29

.6

0.535

-2.68

0.443

3

.24

0.373

9.18

o.

;,07

17.0

0.427

5

.82

0.346

16.1

0.2~5

26

.

$3

0.255

33.2

- -

-· ; . .

.... ..J.e __

--J.S

.. ;. ...

,.

-

---1-" t -,-Ol/WiJ ter r:-... ·J C.1J

.-~.", c. '- ' 0 ," (':

trr

.

~~

l: ~

I

"

') -:::'J

..

IQ'

>.,

IL

,Cl I ,

t/,I

'" 'H

r~

~"

/~I

~

(0)

FJ

':j

;1

'

"

I c (0 / / I ~.~ '} ; / I kJ '..rJ I dl. I

Î

c.

..

.

; I

I

~

I ~) "

/~

,

I".~, r'~ ::-.. I) 4, Q, -r-I. _~ --' IA)

H

>~

A

,

'

,,-; e..,

f(

r; 0 r'; t:N

1

7

_/

'f., / n.;

,

'=1

~, _/ ,~ ~-, I ('"4 l"l

•

<.., I I +- I r-

1

0

---0 ~ ~ .':ï c"') rJ r- Q Y)

~

~-t.. ;::---0 ~ ~

_<-

.:5 - - '

:i (

o

UJ

L',

t

'2.

., ~. r

,

.

'

..

\.J.

o, (

3.

,

.

( ... .: (. : f,;

~

.

:~

]: :

\~

O

,

(~

/" ~, '.: <. (

'.-. , r. ," r •. , , ... ' c

"-

.,', {

.

.

I ' , "

.

,

.," ~." " " '-' \f,'-. ~. " (. '. ' .... j

.,

... o ":.'5 ;.:: c " " :, .... t,' ,-I ,., Ul

I

I

~

---~~~--~---

_-...0

_'7:'

_1?

,~

---

0'" 0"

0

.

:'1

~---t

_,

']

, ;

l~

'.0 c .,.{ ' 0 o o r--, '-, r -t f) \"

.

;... ' ~ -J ~ r . l • ~ . -, ~ ... 2:' ~.~

?:

~-~ .; t ... ~ ~. I' ...:

I

I

1

i~

t

- . 4 ~ 0' _C "l. -.{. ("I

n

:r-a'

_~x ('l

-""'

~

L

C"') 0 -0

.::J

0 ~ !-

,

•

0 t'I') C\~ ('ol 0'" ()'

-0

... ~ \ " C.' , l H o o :> C r' ...ei t:;

.

:

---

,

( .. ", \ '.~l ~. '; ~ J

--

;. -: -. ,'/ ; ...

"

~

N

::i-L?

l.?

('J Cf)

,----C"')

o

\

\,

\

C<J ~ ~

~

i

~ 1">0 -0

.::s

I

I

to

_,

..)-I

I

10

r

i""}

l~

I

A

I

I

('1 0

I

v

.:s

0

,

I , I , I

:S.&

63

0

~.b

l

YV1;J

J.L;

~

\f)

lAf

3.0

ql

-.t' \ . . -

.

',~'; \. C 1"' . : . , .. ' . ~ .. ' •

0

_c..~(J

0

D

_[J

_d~G

[J

[J

0

0

~~el)

'o:>,m

,~f ~ I) '2. \A V. ("

ij

..

.

...-vJ -~ .. (l y ~J VI ~ -: t .. c:

..

~ I!; :.) f.~! -t.' (1..', ...c: ~< () C ~.! ~J 4-' .. ·l V C' t ... CJ U Ij; "1J ,J " t:,.

,

.

~, h Cl ...., 0:. ::: :~ ~ ... " " :- . / 7':. ",-1 () ~ ~: ," ,., ~. ~. _-' -' ,~

...

VJ

o

S, ~ ,,' >:;

""

~ ... > " ç: \.... r; .;)

..

" C ~~ (.) >:: (j) r..J ~ ;", "Cl Ol ta l. (I > C'

,

-...,0 Ó'

o

o

x

'1

,

).~ _~ .:l"" _~ ('.J 0

--

0'"

,,--

0"

g

(;-')<

V -l

1

0 C\~ r--)

,

J':

\# . (" ,>:

"

r"}~ ," '-_.1 0 'Jf)

o

-"

o

(V)

~ 1 ) I ) I ) I ) I ) I ) I ) .'

o

o

CO ï . . ~ 'f' " ,- I, G ..-~ ,-~' .-.... ! ' ,

..

. r~

,.

_J \ ' '. , ;.) _--, ;,.,

,

.. .o' -,

'"

~'- ~_., l',. f" ,-' ;;J 'r< Q) U

....

.' .. t,i ~" .. ') c.' (.) _. L, .. >

._,

ei 'r' ....: r- j L? ~-! 0 Q 0 -0 ~ .. 0\ I., ::1 .~ i:n .~ ... 0""

-V

~.

f

r. ,'"'l --

v

.-, 101-1 0

..

_(!i , ,i., '" ;) -,.) U,", (~ .;

',-'"

-, <. l,:J .< <i: : .... 0

0

,

,-,

q

~ ('I ~....> J -~ c:

~

e>o

L.. C <) IJ ::; -0 ('J

1

_e

(' (;

-v

--""~

_ii..

0 0 d KJ! <.L-...

~

(;f') I ('I C'. t'

~

@

0

- - - t ::r- ~ _"'-IJ ('ol ~-::s

rr

I ç I Co ~ I

I

_i

I

I I r , < ) 0'\

-

o

? \..J ~ ei' 0

î

x

.

,

\

,

c·

••

c :.> ~.) ~ °r"1 ~ ::J :"i • l < .,-~ C u 0 (/ ·r! ). )~ n~ (~, (.1 () ~. r~ ~) '"(j

.

.

t.., l ) 0 .:i ~ cl C·) ,. n.

-...

.. ~ , ->~ - > ~) bJ 4_. ~~ (; !eJ Q ~.< '0 . ( ) t.,)

•

il:·

•

> 0 V V

f

'l'

V U ~

0

-J:l r-"") l.-0" ~

-0

~

-6 C'

tl..

fjlQ c: "

~

--~

~

..:r-0"

,

0

I

,

_,

,0

I I J ; -N e"'

o

0 Q 11) ïr'

r

<L

U

V

0 L? \? tol 0 0 ~y.

•

,

J I ) I 1.:.1 il1leidi~

Voor de berekeld nG van de kolo::lhoogte 'xord t in bet algen.::en het

HTU-NTU concept tOEgepast:

L=:: lITU ..

NTU

•• ( 15)

De hoogte veJ' ccn sto:overd::'ócht~',;r;Jp Y..E ' bepaald \'iorci.e!1 doc,r experi

-menten

or

li~tor8toriu:'il~schaal . Bij experirr:enten op grotere sch8..:.l en

bij praktiGcle beJrijfevoering tr0cdt er ec~tcr axiale ~8nging op dat

zijn invloed teeft op de H]U. Dit ~ordt ~cthF~atisch cfgelost doel' je t]TU te l';plitGc:, in ce;, deel dat de z.uivere ::::tofoverdrac::.t ver rG'cn-woordigt en een extra deel voor de axiale ~en~ing. Bij pen extractie -factor E (=

m.U

d/

U

e) G~lijk Ban &~n e;el dt:

H

TU

=

H

TU

z + HDU •• ( 16)

Deze menghcogte kan berekend worden uit de axi al e menging in de

eor.tinue en disperse fase:

HDU

=

L/

Bo

e

+

L/

Bod

= iE _c

12-

_U x) .

c

c

+

I ndien de extractiefactor ongelijk aan ~&n is geldt de volgende be

-nadering voor de

H

TU:

De

HTU UDT' E +

H'rU

z

=

-H

DU

.(1-E)/(ln(

;;D~

·

'

+ HTUd) •• (18)

zuivere HTUZ (betrokken op de d~sperse fase) kan berekend ~orden od

uit het stofoverdragend oppervlak en de overall-stofoverdrachtscoëfî

i-·ciën.t:

=

Uit oovenstaande overwegingen blijkt dat voor de voorspelling vaó de

hoogte van de koJom de volgende gegevens nodig zij~: voor de zuivere

HTU

z het specifie~ oppervlak è:1 de overall-stofo-verdrachtscoëfficiënt,

voor de menghoogte de axiale menging in zowel de continue als in de disperse fase. In de volge~de paragrafe& ~ordt hier dieper op ingegaan.

moeten V_.. lO I_• ' j P _{~ ,}Y ) ' _{. •} k e n ₀ d .. " r, • Fe t

J. • • , L:r;èC.l fiel<. ol:pervlek a volc;t ui t (

or~cie r aennarn~ van bolvormige

•• (20)

De overall-~tofoverJr2chtsco~ffici~nt ~s o~3etouKd u~t de 6tofoverdructt~­

co~ffici~nt~n v~n de b~ide fasen:

::: _(kr' -1 _{+ mik}

r

~ c

V:annecr de evcnwichtf7.1i

tjn gcpn rechte is àic door de oors!)rong gafJ.t

wordt voor m de plaot~elijkc helling van de evenwicl.tslijn scbruikt.

In de literatuur zijn vele ccrrelat.ies voor de .:;fzonclerlijke

stof-overdrachtsco~ffici~nten bekenó. Van grote invloed is de grootte van

de druppel en daorxee zijn gedrag. Kleine druppels zijn inwen0ig star

en hebben d~ardQor ce~ grote stofovcrdrBchtsweerstand of een kleine

kd' grotere druppels hetten een bewegelijk grensvlak of kunnen zelfs

oscilleren ~a~rdoor de kd ster~ toeneemt. Van grote invloed zij~

verder oppertlEktcEctleve ~toffen die enerzijds de grcnsvlókspanning

verlagen ~aa~~oor de bewcging van het gren~vlak gede~~t wordt en

ander-zijds kunnen ze een physische beJcmmering voor de oV8rdrage:lde stof

vormen.

Een model dat met beide espe~ten re~eni~g houdt en zONel voor de

disperse p.ls voor de continue fase Ecn stofoverdrachtscoëfficiënt

schat is gepresenteerd ,door ~eEselingh

(1

8)

.

In dit ~odel wordt

berekend welk gedeelte van de dru~pel star is. Hiertoe worden twee

gre~zen voor de druppel~i~~eter berekend met behulp van de gre~~vlak­

spanning en het dichtheidsverschil en een factor die rekening houdt

met de al of niet aanwezige vervuiling: (f

=

0.01-0.04 :schoon systeem;

f=

0.25 :vui l systeem) 1

d,=

2(f·o'/g.Cf)~ d 2

=

6(f·{j/g·ëf)2

-

--_ ....--•• (22a) .• (22b)

~anneer de experimentele druppeldiameter kleiner is dan d, wordt een

) I ") r, ? :"", kc = 0.3

(.&::..~~[)c.L

)'-"/./

lid ::: '10 rVd/rl Voor dn~ppeL3 g2'0te~ onderstelt en ccldt : k. - -1.

0.4

(

''''''-

.

(1+(~d

/0);)~

~an d wordt ccn volledig ~übiele druppel

ve~-2

•• ( 24 )

Voor druppels t\)SS8n deze extremen in,"geldt cen stofover

draclt6c~-~ffici~nt die een combi~3tle is van vsrg(23) eD (24).

~et behulp v~n de gegev~~s van run 11 van Ee en Ploeg (19) is voor een a&ntal waarden van de vervui]i~g~factor bovenEtaande procedure toege[8st (zie taLel 7). Voor de waH~den van de benodi~de groGtheden,

zie t<::he:!.

8.

tabel 7 v00rspelling ven de k 1 met behulp van het model van ~essclingt

0(, f k .105 k, .10 5 k 3. .1D5 c 0 o( m/ e mis mis 0.01.;.

6.8

li.36 2.7 0.1 5.3 3.06 1.9 0.25 3.13 1.22 0.38

tabel

8

belangrijke grootheden van systeem

I

en

IV

zowel voor het

binaire systeem als onder de gemid3elcic runcondities

grootheid systeem I systeer.J

IV

binair ternair bin2..ir ternair 1D.101O ?:l 2 /s 5.84 5.34 17.3 17.3 10 2 lD d.10 m /s 2.29 2.2 21 21

r

kg/m

3

986 992 998 998

0

d

kg/:n3

8

4

7 862 15g4 " 1578 7. " / 2

JA

.10~

i,S m 1 • Li5 1.45 1.0 1.0

fM.

10./ Ns/rr;2 3.1_{;.4 3.44 0.9 0.9} 7

<y

.10./ I'l/m 1.63 1 • 1

45

28.5 m

(kg/m~)d

1.0 0.55 (kg/m--') c

Voor de betreffende run

_t:;

werd een experimentele k ~ gemeteL van 1,4 .10J

m/s

.

o~ h

Bij r~~s met een hogere belasting lag de k 1 in de buurt van 8.1C O

m/s.

oG.

• I

-6

die een gemiddelde k

oi van

6

,

1.10

'lor; riO' n. \'~' ::~ ::-; .1"' Cl e Tl vergeleken worden xct die voorspeld dour h(!~ bOVenSL&ande ~ol~l den b 1 ijk t ), C't ~ c,noo.. 'el ;ol 1 ... _ _ • r.;. CP','" ~ .. b1.' J· 'zc''''r -';-; )." l ,orr~ 0 >.._ , l~lJ. 'pt r'• • • _ c>.... ~L '\... rl{, _... 'o'''''''''''C',C'''' ., ... ... /0 .. voor de

vervuiJ.ir:g[.;factor het systcez;; I Gced te tCEchrijvclJ.

Di tzelfde ~odel is eok getoetst aen sy3t~em IV «1); r~n~

5

,

]

en

3).

Omdat de diffJsieco~ffici~nten van ~ropio!:zûur in ~ater en tetra niet

beker:d zijn I zijr. o.E'ZC ben2.dero !n0t bcill~lJ; Vé];; Ferry (21) I zie té'bel ::Jo ,..., _un~er ,...:J . _Cl- ,_eze " _{CO ..} , - Y"I ₍i _.J.. _,f-_l.J.• _,,-::\:;: _{_ .. .J..}~ C _~

,

-:

.

e

_ '\-_{ve_C .•} ':;") 1" . lr _{e ..} y" • • _{,"_ L} : o · 0 ~

-.5

/ ,.

,l /,,2. 10 m Cl terwijl de

0" cc

• j 1 k " " . rT l . i\ . - · C' ' " ; , ~ 0 - :;

I

c

'

0 'k . . b' . ., 4

ex[er1.men"e e od ün!:>t. :.ree oe ... 1-" •. l .... övn ' T . , rr: _" 0 Gl.o r J..1.'::Y..~

het model een te hoge stofovcrdrachtsco~ffiçi~nt te geve~. Voer h~t systeem 11 zijn de experimentele stofovcldrachtsco~ffici~nt~n onbe~end.

Een an1er model dat de stofoverdracblsco~ffici~nt berekent voor de continue nIH voor de iisperse fase en dat rekening houdt wet de hold~p

iG

dat van Gaylor en rratt (22), Dit model is gebaseerd op de volgende

\'ereelijkincen:

klu

U r r d7 2 • U •

r:>

n = 0\ ( -..J • !--L )

)'J.

:;;: U j (. . x + ij / ( 1-x).

E

Q C •• (,-::6 ) , ( -: )

Ui t experimenten zijn c:.( ei: n bepaald en tevens is er een kleine ver-fijning op de holdup óangebracht. Dit leidde uiteindelijk tot:

kd' [..X 1+c U .do

2

·g:l

0.5 U .x 1.5

6

t 4.10 -5 ( 0

fJ

)

(1 + o ) U d

=

Ud·(1-x)

..

(28a)

_ 5 U .

d~

')

,pc

0.5 k • [,. x 1+0 :;;: U .x 1,5 (1+ C _) 0

₌

5,3.10 ( 0 ..J'~ ) U d

fe.

Ud,(î-x)

.. (28b)

Voor de vergelijking rret de ex!'erimentele resultaten heb ik evenals Hubetts (20) en Ee/Ploeg(19) gekozen voor c ~15.dh

=

0.221,

Bovenstaande auteurs gebruiken de verselijking v&n Gaylor en Pratt

echter fout maar komen toevallig tet aanv8&rdbare resullaten.

In tabel

9

zijn de resultaten voor eysteem I (met de goede vergelijkingen) elI voor systeem IV vergeleke~ rr:et de experimenten in de Su:zerkolom.

Voor syste2ffi I blijkEn de vergelijkingen van Gnylor en Pratt redelijk

tot goede voorspellingen ie geven (vergelijk het gemidjelde) maar voor

--

.-t abe..'.. 9 ver e; <? J.:i _u

,r-,

i n g './ El J) ct c C x Ij(> _. r i:r. e ,1 t. e 1 C lZ ₀₀ " :r, e t die v () () ;:- spe 1 d

door verc(28) voor systeem

1

en

I

V

SY5tCe':I I run 1 2

3

6

7

8

gem: systeem IV

5

7

8

, A 0

5

.K...,. I C. ;(;/s 1·30

.

84

.

8~5 1.04

.9

?

9/

.

-1.29 22.4

16.7

25.

~. c, lc ~ "10 ""'-C lEIs 1. Î

5

1 .13 1 • J~ 2 1. ,")3 1.26 1

.

6

s:

1.76 10.4 15.9 ,-k è ' :C'-' 0 ... m/s

7

.5

}. Q ' . v

!.,..

8

6.

0

5.

6

r; 7, / ' /

7.4

12

8.9

14 '0

6

exp. k ,. ', 0 0. rr/s

5

.

6

3

.

2

5.7

9.3

6.6

).7

8.4

7.'1

6.1

4.8

3

.

2

Verder zijn er in de l i teratuur vel e correl ati es bekend die een schq

t-ting geven van de kc of;' van de kd' Deze correlél.ties zijn ber:erkt

bruikbaar doord&t ze bv. betrekking hebben op ~&n meetsysteem of

be-paald zijn aan e~n druppelkolom (geen interectie tussen de drufpeld).

Deze correlaties kunnen vaak ingedeeld ~orden naar de toestand ven het

grensvlek van de druppel. Dit kan star, bewegeli jk maar ook oscillerend

zijn. Deze toestand wordt voornamelijk bepaald door de grootte van de

druppel maar ook door moeilijk te kwantificeren fac~oren zoals de

aan-~ezigheid van vervuiling (grensvlakactieve stoffen) in het systeem. Dit laatste is er bv. de oorzaak van dat de resultaten van sommige

o~derzoeken in de literatuur elkaar tegenspreken.

Een andere invloed op het druppelgedrag i s de wijze van het

ex-tractieproces. Het i s aanne~elijk dat~anneer er externe energie

wordt toegevoerd zoats bij gepulseerde 'kolommen de druppels

aanzien-lijk meer turbulent gedrag vertonen. Voor druppels met een bewegel~ák

grensvlak (inwendig circulerend) worden oa. de volgende relaties

gebruikt; voor de continue fase:

Higbie (23):

1 1

Sh

=

2 + 1.13 ReI Sc I

Gareer en T&yeb~n (26) : Sh

c

=

50

..

0

.

oc3::.:

Voor de disperse fase:

Sh, =

17.9

a Z u i der Vi e g (2 [) : Handlos en Baron (29): ., \..

-c

ö

-k

=

0.00375 d , •• ó U ( - - ' - - - )

o

/

1(.

+

j

:

J

Voor druppels met een star (niet-ciJculerend) grensvlak;

voor de continue fase:

Zuiderweg(Z8): Sh

=

2 +

0.66

ReO.

5

SeO•

33

e c c Garner en Suckling

(

30

):

Sh

=

2 + 0.95 ReO•

5

ScO.25 c c c Ward et al (24): Sh

=0.98

ReO.33 SeO.33 e e c

En voor de disperse fase:

Trey'tal 01) :

Sh

d

=

6.6

Volgens het penetratiemodel van Higbi~_Eeldt:

k

=

2 (lD.ü o ) i

e i j • d met de contact tijd L

=

d/UO

• • (30)

• • (34 )

• • (36)

• • (38)

.. (40)

Dit is dezelfde vergelijking als verg(29). Aan verg(29) is echter de

constante 2 toegevoegd voor het geval er geen stoming rond de druppEl

optreedt. Billet en Maêkowiak gebruiken in ee~ reeks artikelen (oa. (32»

deze vergelijking voor het berekenen va~ de stofoverdrachtsco~ffici~nt

I

I

hoge belé.""itingcn kunncr. '{;orden tere ~.r:t. f\:s testGystee:'1 getruiken ,:;ij

water-&zijn~uur-tctr8(d). ~~ contacttijt , dit is de tijd wB2rin de druppels opbreken en o~~icuw coalestcren benuderen zij doer :

7:..-

-

I/U

o

lr; . U" 1

2 r U )"Z"

en c.us: kd ... ~iT~ •• (41 )

WaLneer dit concept op de Sulzer-p&kki~G ~ordt toegepast kan voor 1

de a~s-t-a-:~ 1:rJ:JJ{;~ lencte van ~en .. t-'~€- eJc-nient~ eebruikt \'f'oràenl ( .i. 0.1 rrlY"

In dit geval geldt voor syst~cm I en IV respectievelijk e~n cont& ct-tijd van

3

.

2

er.

0

.7

53

0 .

In to vc ns tean de vc: rge 1 i jki!1ge n z:i. j r; de ken t alle n als vol L:t gede-finieerd: (vooo i=c.d)

e~ DO·d

_{.1i_}

1~ .• d ID,.

L

Re. = .Sc. Sh.::: 1.. Fe;:: - - -0 •• (428.

ei

D.

ID.

,

d2 l.

f-Ai 1.. 1. l. 1..

Voor d en U

_o

zijn de geschatte waarden uit verg(3) en (13) gebruikt.

In tabel 10 zijn bovenstaande correlaties voor de systemen I en IV

t6egepast. Uit de tabel is du~delijk te zien dat de correlaties voor

de continue fase beter met elkaar overeenstemmen dan die voor de dis-perse fase.

t/:n

Het blijkt nu dat de stofoverdr3cilt6co~ff~ci~nten VBn beide ~yste~en

het beste voorspeld kunnen worde~ wanneer voor de continue en voor

de disperse fase gebruik wordt gemaakt van resp. verg(3?) en (41).

Geze combinatie levert de volgende resultaten:

Voor systeem I:

k d

=

(1/k, + mik )-1 - (1/0.935 + 1/1.65)-1

=

6.10-6 mis

o Q c

Voor systeem IV:

k

od

_- (1/~,q~.~

/

//

10-5 +

0.55

/h

0,25.10 -5)-1

=

Voor deze combinatie is gekozen omdat verg(41) afgeleid is voor eer

kolom die veel overeenkomsten heeft ~e~de Sulzer-kolom en vanwege

het feit dat de correlaties voor een be~egelijk grensvlak in tet

algemeen een te grote stofoverdrachtsco~ffici~nt voorspellen.

tabel 10

gre:l ~;\'lak

bc.~egelijk

star

0e ~cr5chillend( stofov~rdrachtcsl'rel~tje~ tce~epast voor ,.:;y.steem I ('D IV co,rel2.ti'J continue-fésc yerg(2S) vere( ~50) ver:;(31 ) verg( 2)

di spe I'I:;e - fase ve."g(33) verg (34) verg(5) continue-fa.:;e verg(36) verg(37) vere;(38) disperse-f<3se verg(39) verg(4î) 2.)'steerr: k • ~I O5 c mis

13.1,

5.

îO (:,. -:6 4.7 2.13

1.

65

1.74

I k .• 10

5

ct

!Ti/

S

C

.

33

1.1

+4

3. ~5 0.12 - ' ---'" t'j'stee:7i k' .• 1 C5 c mis ~5.3

9.14

"")r.+ L:; 20

7.2

6.25

4.

0

IV

c:, '( 1 J'" I . d • I m/ t5 1.63

8

.

9

26

0

.

6

5.93

1-Om

ne

HIU te bcp;:;Jpn dic-;t dp rre:i~;~oogte bere;':end te \~ol'de!1.

i6 voorGa~elijk ec~ funct~0 van de Bodenstein-~ental]en (of b~~er

gezegd, de axiale menging in beide ~~scn) van beide fasen. Het

3~~en-steir.··~~ental kéHI bEI'''l31d worJE:n :rlet be:-~\llp va:} een tracer die in à",

kolom get~acht wordt wourna 0~ twee }l~atsen de res~~~siecl1rven geme~en maat voor de optl'idende axi~Je menginG. Voor ~cn tweezijdig oneindig

systee!:l geldt:

Hierui t kan de axiale mengi~g bcp~ald worden; voor de continue fE~e

geldt: IE c

=

U

.L

c

C .

(

'l-x) .130 C

Hierin is L de afstend tussen de twee responsiecurven.

•• (1,4 )

100r het systeem I heeft feltevrede (3~) hel Bodensteinkental van

de water-fase bepaald, zowel voor het gc~al dat deze continu is als

voor he~ ~ev~l dat deze diEpers is; zie figuJr 11. Voor systeem IV

hebten Splint(·~ en Vi5Ee~ (1) de axiale di5persieco~ffici~nt van de

continue(~b~er) fase bepaEld en deze tevens vergeleken met systeem I,

zie figuur 12. In deze laatste figuur blijkt dLt de axiale

dispersie-co~ffici~nt van de continue fase evenredig toeneemt met de disperse

fase snelheid en tevens blijkt dat teide systemen goed vergelijkbaar

zijn. Uit figuur 11bll jkt dat de axiale mengi~g van de disperse fase

bij niet te lage waarden van de holdup verwaarloosbaar is.

4.4

invloed van de richti~ van stofoverdracht ot? de stofoverdr

achts-efficiëntie

Oppervlakte-instabiliteiten en MarangQ~i-effecten kunnen de stof

-overdrachtssnelheden verhogen. Deze instóbiliteit hebben ook hun invloed

op het stofoverdragend oppervlak via de druppelgrootte en de holdup

(zie ook pragraaf

3.6).

Van het systeem IV is alleen de stofoverdracht

niir de druppel bepaald vanwege de grote onvoorspelbaarheid van het

stofoverdragend oppervlak bij stofoverdracht uit de druppel. Bij het

systeem I lagen de HTU-waarden voor stofoverdracht uit de druppel

ongeveer

30%

hoger dan bij omgekeerde stofoverdracht. O~ dit alleen

is ondu~ielijk va~ ~ege de onn3u~~~urlcc bepoling vc I

Een door coalCSCPll:.ie toeGe~}( .. r:n dr'J.ri·eJsroot:.c j:~Jn de .

~;tofoverö!"8cLtf-de specifieke op~crv]&k enig~i~s tege~ccwerkt wordt. Het effect van gr~nGvlakturbulentiec SCh~jllt niet ~o 'n grote i~vlo€J te helten op de

stofoverdrachtsco~ffici~n~ (~B)r

Eet effect Viln stofoVel":J'élcht

or

e.E. a:xjçle menging is niet ~n Delft

onderzocht aangezi~n voor het Lepelen ven de axiale menging gebruik is

bleek VCOT de systernen JvlI2E-·E.z:i.jn7u'Jr-.'ictcr en VOC!'

tolueer;-aceton-stofoverdracht geerl effect op de axiple nenging in de continue fase ha~.

(bij stofov2roracht uit de drur~el) ee~ daling Vb~ de axia12 menging

in de disperse fase v~nwe~e de uitvlak~ing van de

co~ce~tratieve~schil-len tussen de druppelE. Omcekeerd steeg de nenging bij een ~eringere

ISO )00

so

() .. -)

.

o

d~ q C~'l···E' f:::·: >' COT;t.j:-:~(: :~:7:··r P (J }'. 1~ .L r: 8· J c :-. f..; 7, 0: : } ( - - - - -.'::. ' l ~. ) r, - : ? '- ... _/

----~-_r~--- ---I . I ·

o

/

/

r;

/1

/

I

,I

/

L

n:JS

J

Ud·)J-~

0 l -_ _ _ _ .-jj _ _ _ _

--t-, _ _ _ _

....

, _ _ _ _ _

»--_ _ _

--+ _ _ _ _ -1Ir--_ _ _ --+-+ --

-o

2-5' S

'15

iO 12-5

)5

;y.$

In dit versJ8C J.S ;)ckl?kcll ,Jan de tand von vj.cr test:.3ys:cmei. welke

relatic~ geGchikL zijn O~ de hydrodynB~i:a en óe stofoverdracht

(in-clusief de é1xialc r;,engi~lS} in een lwloa: Gepakt :fiE't SuJ.zerE-le~1enten

zo goed mo~elijk te kunn0n voorspellen. Het moet omgekeerd dus ~oGelijk

zijn, om uitgaande var: ec~ befaaIde fasenvertouding

(Ud/U

c) een goede

schatting te ku),nen geven von de maxi:;:ilJ.e c,::p3citeit en de holdup

waarna na bep31i~G Vf ~ de menghoogtcie hoogr2 van een

stofoverdrRchts-trap b~rekend k~n w~rden. Dit zal PU getoetst worden aan sy2teem I

en

IV

voor een fDGenverho~ti~[ gelijk D2n ~~n.

Systeem I;

Met een fascratio geli~k aar b&n en een verdelingsco~~fici~nt ven ongeveer ~~n is de extrfctiefactor E =1. Uit figulir

3

(of verg(12) ,

(13),(1lj) blijkt de maxir:-:é:lle c1,paciteit

~O

m3/:n2.hr. Bij eer'. veilig-heidsfactor van 80% volgt voor de fasensnelheden: U

d

Met behulp van de benodigde belasting of doorzet (in

=

U

c kg/Ij: = O. OOLt 11 m/ s •

3

m Is)

volgt hieruit de diameter van de kolom. Uit verg(11) wordt de holdup

2 7..

geschat op 0.211; hieruit volgt een specifiek oppervlak van 1057 m /m/

(verg(20),(3) . Uit verg(19) en (21) blijkt de HTU~d ongeveer 0.65m

te zijn. De menghoogte wordt met behulp van verg(17) en fi~uur 12

(IE

~

1.1Ö3m2/s) geschat op 0.20m. Hieruit volgt dus (verg(16): c

HTU

od

=

0.35m (exp. ~aarde : 1.0~)

Wanneer b07enstaande berekeningen herhaald worden met de experimenteel

gevenden druppelgrootte (1.~:n~) blijkt dit een HTU

od van 0.96m te geven.

Systeem IV;

Met dezelfde fasera~io ig de extractiefactor gel~1h 8e8 ongeveer gelijk aa'

0.55. Volgens dezelfde berekeningen als voor systeem

I;

U

d=Uc=0.016?m/s.

Met een holdup van 0.204 en een d7.. 2 van 1.88mm is het specifieke

op-2 7.. ~.

pe~vlak 651

m

/m~. Hieruit voiligt ee~ zuivere HTUz van 0.658m.

Met behulp van verg(1?) bli jkt de menghoogte 0.22m

GE

~5.163

:n2

/s)

c Uit verg(18) volgt dus:

HTU

=

0.83

od (exp. wB.orde ~0.63m)

~anneer gerekend wordt met de expo d

3•2 (1.5mm) is de HTUod 0.69m.

Het blijkt dus dat met behulp v&n de besproken correlaties een redelij~~e

schatting va l de HTU

od en de capaciteit mogelijk is, vooral indien

wordt uitgegaan van de experimentele dr~ppelgrootte (een eenvoadig te

d e _.i~ _. fT":ï: ; ~.">

1~od -'-- het mogelij~ om voor ~en Lepaa~de s~hpidinGsg~aad

Cuit-gedrul-; t in het aantal beno(iigde evern';ichtstrappen) de diÓ::T.E'ter e!1 de

l engte van de kolom te berek0nen.

Bovenstaende berekenj~scn gelde~ alleen voor stofover~lac~t naar Je

drurpel. Bij omgekeerde 5tofoverd~2ctt bestaat er ee~ grote kaes op

opp(rvJa~te-instabilitejtel~ ~&t via de d~uppelgrootte zijn invloed heeft

op het beschikbare oppervlak en op de stofoverdrBcht6co~ffici~nt in

"tOT"

de druppelfase. Dit is op heden kwant~tatief cnvooropelbacr; in de

praktijk zal ~en niet 1<unr.en volsta,:n c:et he:t eenvoudig toc.?assee va~

8. c Ci.1p d lD d

3

.2

d h E IE g HDLJ BTU k 1 L

-

;.=7-specifiek oppervl ak concentratie capacitei t drup pe 1 dian:e t, er

..

..

diffusiecoer~icient sauterdia:neter

hydrduli sche pekki~gdicmcter

extractiefactor (= ~.U./U )

Q C

axiale di~persi~co~ffici~rt

ZRaartekrachtversnelling

menghoogte

lengte van een stofoverdrachtstrap

stofoverdrachtsco~ffici~nt

coalescentieafstand

kolomlengte

m verdclingsco~ffici~nt (= C./C )

Q c

NT,U aantal stofoverdrachtstréJppen

superfici~le snelheid

karakteistiekc dru~pelsne]heid

relatieve(slip)s~elheid

x volu~efractie holdup

r

hinderingsfactor

é

volumefractie vrije ruimte

dynamische viscositei t

dichtheid

dichtheidsverschil tussen beide fasen grensvlakspanning verschilvariantie coalescentieiijd ----~. 2 7. !;}

Im"

7, }:g/n:./

3

2 m

In;

•.

hr m m m 2, :n / ~ I

2

mi 5 m

mis

m m mis

mis

mis :Ts/m2 <. kg/n./ 7. kg/m./

N/m

s

subE,cript s c con"lnue

...

fase d disperse fase f floodi:-!g 0 overall Guperscripts

o bij fascnsnelhecien gel.ijk aan nul

z zuiver

( 1 . \ ) ronald s~lintcr e~ ernst viss~rt capaciteit cn effici~ntie van

Sulzer st~tiGche ~enGele~0r~e~ DIe pakking bij vloei5t~f-vloei~tof

extractie, afstudeeronderzoek,

TH

Delft ,

1983

(2) R.Gsylor e:1 n.fI.C.Fratt, TrR"s.l:\stn.Chem.Engrs. , ~1(1953)69-77

(3) 1..J.KlE.e en l~. E.TrE;y:;al: J-.IChE J., ~(19)6)llLI/+-7

(~) J.A.Wessclingll, de sneJheid VEn deeltjes, J~uppels en bellen,

i~tern

TH

Delft rapperl,

1931

(5) 7.Misek en J.~arek, Brit.Chem.Eng., 2~(197n)202-7

(6) S.Hu en R.C.Kintner, AICtE J., 1 (1955) 42

(7) G.E.Reman,

de

ingenieur, 6g(1957)Cll1Z8-33

(

8)

T.R.Kri6hnas~amy, S.Chvndra~ouli, M.G.Subbarau en G. S.Laddh~,

I ndian Chem.E~g., ~(1~67)59

(9)

R.Gaylor, N.~.Boberts en H.H.C.Pr2tt, Trans.lnstn.Chem.Engrs., Ll(1953)57- 6

8

(10) 1'.Sitaramayya en G.S.J,s.ddh8 , Chelil Eng .. 3cL, 13(1961)263

(11) F.\Hdm~r, Chem.Ing.Techn., 39(1967)900-6

(12) A.M.Schootstra, holdup en floodinggedrag in een tegenstrooms

extractiekolom gepakt Met SuIzel' statische mengele~enten, 5e

jaars-opdracht, TH Delft, 19~C

(13) J.D.Thornton, Trans.lnstn.Chem.Engrs., 35(1957)316

(14)

L.C.M.

van Lent, stofoverdracht in een gepakte tegenstrooms

ex-L c:e

tractiekolom ~evuld met 0ulzer statische mengelementen , ~

jaars-opdracht, 1980

(15) J.Komasaw.3 en J.Ingham, Chem.Br:g . .3ci. , 33(1978)341.,.7

(16) E.Bender, R.Berger, vï.Leuckel en D.;'iolf, Cherr.Ing.Techn., 51(1979)192-9

(17) F.Streiff, Su1zer Tech.Hev., L2(1977)1C8-13

(18) J.Wesseling~, mass transfer to bubbles, drops and particles, intern

Th Delft ré~ppor t, (?)

(19)

B.M.

van E~ en H.J. van der Ploeg, stofoverdracht in een met Sulzer

statische mengelementen gevulde tegenstrooms vloeistof-vloeistof

extractiekolom, 5e -jaarsop:lracht, ·.1982

(20) D.P.H.Huberts, axiale menging in een extractiekolom gevuld met

Sulzer statische rrengclemoLten, afstudeerverslag, 1980

(21) J.H.Ferry, Chemical Engineers Handbook, McGraw-Hill, 4e_ed.

(22) R.'.3aylor en ILR.C.P::'étt, Trens.Instn.Chem.Engrs., 35(1957)267

(23) R.Higbie, Tróns.~~.Instn.Chem.Eng. ,31(1935)365

(24) O.H.i\'ard, O.Trass en A.I.Johnson, Can.J.Chem.Eng., 40(1962)164

(25) F.E.Garner, A.Foord en M.Tayeban, J.App.Chem., 2(1959)315

(26) F.H.Garner cn M.Tayeban, An.R.Soc.Esp.Fis.Quim.(Madrid),B56(196a)

(27) R.Kroning en J.C.Bri:lk9 kppl..sci.Res., X~(1950)1!+2

(

28)

F.J.Zuidcrweg, Collegedictaat Fysische ScheidiDgs~ethoden, deel 1,

(1?3c)

(29)

A.E.Handlos en T.Jaron,

AI:hE J.

,

1(1~57)127

(30) F.H.3arner en R.~.3uckling, hlChE J., ~(1958)1 14 (31) R.E.Treybbl, ~iquid Extr2ction, New-York (1963)

(32) R.Billct en J.Ma6kowiak, Vcrf~hrenstech.,1~(1981)8S3-9C4

(33) J.komasé' .... a en J.Inch2';i, Che:ll.Er.g.Sci., _.22.(1978) 541-6

(

34)

H.~eltevrede, axiale menging in een extractiekolom gepakt met Sulzer

statische mengelementen 11, afstudeerverslag, (1982)