dimensionierung von vertikalen rohrleitungen für die durchströmung mit einem zweiphasengemisch aus...

2
suchungen erforderlich. Diese wird anhand der Modellbil- dung für das Euler/Lagrange-Verfahren verdeutlicht. Schlieûlich werden Beispiele der Anwendung dieses Verfahrens für die Berechnung der Hydrodynamik in Blasensäulen vorgestellt, die insbesondere die Bedeutung der blaseninduzierten Turbulenz verdeutlichen. Weiterhin werden numerische Ergebnisse für dreiphasig betriebene Blasensäulen gezeigt, wobei unterschiedliche Modelle zur Beschreibung der Phasenwechselwirkung untersucht wur- den. Durch die Entwicklung eines zeitabhängigen Euler/ Lagrange-Verfahrens sind erstmalig Berechnungen bis zu Volumenanteilen der dispersen Phasen von 20 % gelungen. Zerstäuben viskoser Glas- und Mineralschmelzen mit Heiûgas Dipl.-Ing. H. Lohner* E-Mail: [email protected] Dipl.-Ing. C. Czisch PD. Dr.-Ing. U. Fritsching Prof. Dr.-Ing. K. Bauckhage Universität Bremen, Verfahrenstechnik, Badgasteiner Stra- ûe 3, D-28359 Bremen. Glas- und Mineralschmelzen weisen im technisch interes- santen Temperaturbereich ihrer Verarbeitung hohe Viskosi- täten und im Vergleich zu metallischen Schmelzen nur mä- ûige Oberflächenspannungen auf. Deshalb treten bei konventionellen Zweistoff-Zerstäubungsprozessen zur Gra- nulation bisher nicht oder nur unzureichend behebbare Probleme der Faserbildung und der mangelhaften Sphäro- idisierung der entstehenden Partikel auf. Ziel des Projekts ist neben der erfolgreichen Unterdrückung bzw. Minimie- rung der Faserbildung und des Nachweises der Sphäroid- isierung der Schmelze auch die Analyse des eigentlichen Strahlzerfalls im Zerstäubungsbereich sowie der im düsen- nahen Bereich vorausgehenden Anregung des Schmelze- strahls. Hierfür wurde im Rahmen dieses Projekts zur Zer- stäubung von Glas- und Mineralschmelzen mittels Heiûgas eine Technikumanlage entwickelt (Zerstäubergas: Luft bzw. Wasserdampf bei max. 1000 C und 6 bar und einem Schmelzemassenstrom von max. 500 kg/h). Zu Zerstäub- ungsversuchen wurden die wesentlichen Betriebsparameter wie Gasvordruck, Gastemperatur und des Massenstromver- hältnisses von Zerstäubergas zu Schmelze (GMR) variiert. Aus energetischen Gründen und wegen der höheren indust- riellen Relevanz wurde die Zerstäubung auch mit Heiû- dampf als Zerstäubungsmedium durchgeführt. In der Abbil- dung ist eine REM-Aufnahme der Partikeln < 50 lm für eine Zerstäubung mit Luft bei 930 C und 4,5 bar Vordruck dar- gestellt. Der Pulveranteil am Zerstäubungsergebnis liegt bei diesen Betriebsparametern bei 90 % der Faseranteil hinge- gen bei ca. 3 %. Von besonderem Interesse für die Analyse der Heiûgaszerstäubung ist die Beschreibung der gekoppelten Temperatur- und Geschwindigkeitsgrenzschichten im Zer- stäubungsbereich sowie der Wechselwirkungen zwischen heiûem Zerstäubergas und Schmelzestrahl. Zur Unter- suchung dieses messtechnisch äuûerst schwer zu erfassen- den Bereichs nahe des Schmelzestrahls und des Zerstäub- ungsbereiches wurden CFD-Simulationsrechnungen des Geschwindigkeits- und Temperaturfelds im düsennahen Bereich durchgeführt. Abbildung. REM-Aufnahme der Partikel < 50 lm. Dimensionierung von vertikalen Rohrleitungen für die Durchströmung mit einem Zweiphasengemisch aus Gas und zäher Flüssigkeit Dr. J. Schmidt* 1) E-Mail: [email protected] Dr. H. Giesbrecht 1) Dr. C. van der Geld 2) 1) GCT/S-L511, BASF AG, D-67056 Ludwigshafen; 2) Engineering Mechanics, TU Eindhoven, NL-5600 MB Eindhoven. Für die Auslegung der Förderleistung von Pumpen und die Dimensionierung von Rohrleitungen, die mit einem Ge- misch aus Gasen und zähen Flüssigkeiten durchströmt wer- den, muss die Druckänderung in den Leitungen bekannt sein. In der Industrie betrifft dies beispielsweise Anlagen, in denen Polymere mit dampfförmigen Momomeren oder ausgasende Schmelzen transportiert werden. Eine Berech- nung mit bekannten Modellen aus der Literatur (FRIEDEL , CHISHOLM , CLAXTON etc.) führt zu sehr unterschiedlichen Berechnungsergebnissen, weil diese Modelle nicht an Mes- sungen mit sehr zähen Medien angepasst wurden. Die Modellergebnisse sind deshalb mit Messungen bei vertikal 568 Chemie Ingenieur Technik (74) 5|2002 Grundlagen der Verfahrenstechnik

Upload: j-schmidt

Post on 06-Jun-2016

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Dimensionierung von vertikalen Rohrleitungen für die Durchströmung mit einem Zweiphasengemisch aus Gas und zäher Flüssigkeit

��������� ������� ��� � ��� � �� ������ ��� ������ ������ �� ��� ����������������������� �������� ����

���� ��� �� ������ �� �� ��� ��� ��������� ���� ��������� �� � � ���������� ��� !"���"��# $ ��������%���� ����������& � � ���������� � � ������������ ������ ���' ����� (�������' �������� ����� )� ���� ������� ��#�� ���� ������ ��� �� ��� ���� � ���� ������������%���� ��'� ��& ��� �������� ��� ��� ������ '��������� ���� ��� *������������� �$��� ���������� �������� ����� � � ���� �$���� � ��� '� ����%�� ��� ������������������������ � �� ����#�� � ������������ � � '����#������ ��� ��� � ������� *����� �� +, - ���������

��������� ��� ��� ����� ���������������� ��� �������

� � � � � � � � � � � � � � �

���� �. �����/ ����� ����#�����

� � � � � � � � � ! � ! � � � � �

"�� � �� � � � � #� $� � � � � � � �

" � % � � �� � � � � & � ' � � � � � �� �

0� ���� �%� ���#��& �������������� $& �������� ��� ������� 1& ��+2134 ���#���

5���� ��� � ��������#��'�� �� ��� # ����� ��� ������������� (�#����������� �� ���� ������� ���� ��� � �$� ��%��� ��� # ������ �� '� #����� ����� ���#��'�� ��� #%�� �� 6����%�������������� ��� ������� ������ �� $����� ������ 7�� ���7����%��������'����� '�� 5�������� � � ���� � ��� ��� ��� ��'��� ����� ���������*����#� ��� 8����� ����� ��� ��� #���������� ���%�� � � ����� ��� ������������ *��� $�� ��� 7 �� ��� *�9�$�� �� ����� ��� ������ ���� 0��������$��� �'�� � � # ������ ��� 8����� ����� ��� ��� :����� ��� ��� ���%� �� � ����� ��� ���#��'� ���� � � ���"�� ��� � ����� ����������'������ # 7����%���������� �� �� � ��� # ����������� ���� �� ������������� ������� ��� ���#��'���������� ! ���� ����� # ;��#�� � ���� *�9�$�� '�� 7�����%����� �� 5���� ��� � ��������#��'�� # ����� !� ����� �� (���� $�#������ ���� �$��� <7����%�������. ��� �'��)�������#� �� #�=� >,,, ?@ ��� A ��� ��� � ��#���#��'�#��������# �� #�=� 3,, $���B� 7� 7����%���������������� ������ � � ������� ���� ���� �������#����� � 5��������$& 5����#������� ��� ��� ���������#�����%��� ���� �� 7����%������� '� ���#��'� <5�;B ��� ���� �� ������� ����� 5������ ��� ����� ��� �C����� ������� ����� ;������' ����� � � 7����%����� ���� # � !� ����#� ��� 7����%������#�� �# ������������ D� ��� �� ������ �� � �� ;��� ����#� ��� *��� $��� E 3, �# �� � ��7����%����� # � ��� �� 41, ?@ ��� F&3 ��� ������$ ������������� ��� *��������� � �# 7����%������������ � � ��� �� � ���� ���� �������#����� �� 4, - ��� 8�������� � � ������� �� ��� 1 -�

�� ��������# D�������� �� � � ���"�� ���!� ����'����%����� �� � � ������� ���� ��� ��$�������(�#�������� ��� 5����� �� �$� ������'��� ����� # 7���

��%���������� �� �� � ��� )������� �$����� '� ������� ��# 7����%������� ��� ���#��'�������� 7�� 0������������ � ���� #�������� ��� %������ ������ '� ����������� ���� ��� ���� ��� ���#��'�������� ��� ��� 7����%����������� ���� ������ @8��� #���� ������������ ���5����� �� �$� ��� ��� (�#����������� # �������������� �� ������������

������������������� �� ������� � �� ���

������ ����� ��������( ��������� %)� ��� ��������*������ ���� �+����������������� ��� �� ����� $�)��������

� �� , � - � �� � � � . /

���� �. 9����������# ��/���������

� �� � � � � � � � � � � � � . /

� �� ! � � � � � � � � � 0 /

>B 5@(����3>>& � �8 5& ��AG,3A ���� ������H

+B ��� ���� �� ������ ��& (0 � ������& :��3A,, ��� �������

8�� � � �������� ��� 8C������ ����� �� *�#��� ��� � �� #��� � ����� �� ;���� ������& � � # � � ��# 5��# ��� ��� 5���� ��� '%��� 8���� �$� ��� ��������C#� �������& #��� � � ����$%������� � ��� �� ������ ��$������ �� D� ��� D������ � ���� � � �� �� �� ����� �� ������& � ����� *�"#��� # � ��#�C�# ��� �##���� ������������� ���#��'�� �������� ��� ������� � �� ����������� # � ��$������ ������� ��� ��� � ������� <$ ( � 1 � 1 � &! � � - � 2 �� & ! � 3 4 526 ����B ���� '� ���� �������� ��� ��������������������� ����& �� � � ��� ������ � ��� �� ���������� # � ���� '%��� ��� �� ��������� ������� � ������������ ��� � �� ������� # � ��������� �� ���� $��

3A2����� ��������� ������ ��� � � ����

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

Page 2: Dimensionierung von vertikalen Rohrleitungen für die Durchströmung mit einem Zweiphasengemisch aus Gas und zäher Flüssigkeit

���%������ ������� ���C#��� ��� �� �$�� ��� �%���� ����C������ # � ��� �$� <*�"� �"��"��� ��& � �$� �%�>+,, #*��B � � ��� �� ���� �:3, ����� ���� ������ � ����������#�� ����� ��� �5��������� ������ �� ������������ � ��� ���� ���� �� >,, I 13,, $��#+�� ���, I +3 - ��� ����

������������#%� � �� �� � ���� � �$� �%� � � ��� ������� �� ��� ���������� ��� ����$������ � ������ '� ����� ��� ������� ���� ���& ������ ���� # ������� �� '� ��� ��#������� )������ � �� ���� � � ��#�������� ����$� ����'�� '�# (� � �# �� � #��� ��� >,, - ����� ����������� ����$%��������� ��� � ��� ������� ������� ��� � ����� ��� ��� ���%� ���� ����$������ � ����� �� ���� ##� ����� ��� ���#��� ����� 5�������� � ���;���� ����& ��� # � � ��� ���$����� '�� ;������� ������������ 5�##������������J����� ��#����� ������ ) �#�� ��� ��� �� ����� ��� ���& � ##� ��� # ������ 5�������# � ��� ������ 7%� �$� � ��� 8���� ������ ����� �� ��� � �5������� #��� � �� ��#���� '� ��������� ���C#����� ��C������ 5�������� '���##������ ����� �� � �� ��������&� ���� ������ # � � ��# ������ ����� ����� '� ��������8����� ������ � � ��������� �� ��#������� ��� ����$�������� # � � � ��� ������� ��� ��� � ������� ����� �����

���������

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0

vo

lum

etr

isch

er

Ga

sg

eh

alt

Gas-Leerrohrgeschwindigkeit ug [m/s]

1 mPa.s , u l = 0,1 m/s

1 mPa.s , u l = 1,0 m/s

1 mPa.s , u l = 3,0 m/s

1200 mPa.s, ul = 0,1 m/s

1200 mPa.s, ul = 1,0 m/s

1200 mPa.s, ul = 3,0 m/s

1� ���� � ���� ��� 3������� $���������& �����������������

� � -� � � � . /

3 � " % � � � . /

� � !� � � � � � 7 � � 0 /

� � $� � �� 0 /

>B ;)(! �����

+B 8���$�� 8 ��������� $ K5& !����

��� �� ��������� 2��������� � ��������)��

"� ' � � �

"� 8� � � � �

0� ���� �%� ���#���

������ �� �� �����������

� ��������)���� �9�����������3��:�� ��� ��%%���� -� %%����� ���� %�)����� ����� �� ������������

��� � � � � � � 3 � ' � � � + . /

� � � � � � � � � ;� �* �� 0 /

� �� � � � � � � , � & � 0 /

" � % � � �� � � � � & � � � � � � 0 /

" � % � � �� � � � � 8� �� � < � � � � � . /

>B ��������� �� *�'�������� $& ;)(! �����H

+B ��������� �� (���� ���� (���#�"��# $&;)(! �����& ��3+,32 ������

��� � �� �� ���������� �� � � ���� ���������'������ ��� ������ �� �$� ��� # � ������ ���� ��� ������� ���� ��� �������� �� �������� � � ������ K����� � ���� �� ��$� ' ����� ��� ������'� ������ �� 8�� ���� ��� ����$#��������"���#� � �� � � ��%�'� '�� ���������������� ��� � �� ��$� ' ����� ���� # � �����0�� ������ ��� �������� � � ���� �$���� ��� ��� � ������ ��� ��� ������ ������ ��� � ���� ������� ��'��� �������� ��������� � ��� #C�� ���

D� � ���� ��#� ���#�� ��� � ��� ���������� ��*�'�������� $ ��� (���� ���� (���#�"��# $ ��� ;)(! ����� � �� � � D���� $�� � � ��� ��� ������ ����'���� � � � �� � � �#����� ����$#���������# ������ �������� ����� ���� ������ ������C����� ���������� $�� ��� #����������'�� �������� � K#� ��� �� ������'��

7�� ������� ��� � �� ��� ����������� ������ # � ��� � �� #��� ����� ;�#�����$���$� � � � ������ �������� ���� �$���� � � �� � �� ��� ����� ���� ��������� K�'������ ���� �� ����� K#������� �%����� ���� �� ����'����� '� �� �� ��� C��� �� ��������C�� ���#������ ����� ��� � ����' #������� ����� �������� ������� �������������� ���� ��� ������ ���$��'� ��� � �*�%' � � ��� ������� ����������� 7�� ���� ##��� ���K�'������ �����%�� �$� � �� � �%��� � �� ��$�� ' ����� ������ # D������� � � � �'����� �������� �������' ���� �=��� #������� ����� �%��� � �� ���� �� � ����#������ �� � �� ��$� ' ����� � ����$#����������# ����� ����������� 7�� '�����%�� ��� D���� $��� � ��� ������ ��%�'� ����� '���# � �� �$��#�������

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 3A4����� ��������� ������ ��� � � ����