Selektive Trocknung in der Wirbelschicht*

Jorg Schwarzbach und Emst-Ulrich Schlunder**

In neuerer Zeit gibt es auf dem Gebiet der Trocknungstechnik ein ver- starktes Interesse an Trocknungsvorgangen, bei denen die Gutsfeuch- te aus einem Flussigkeitsgemisch besteht [l-31. Ausschlaggebend da- fur ist das - mit Ausnahme einiger spezieller Arbeiten [4,5] - bishe- rige Fehlen von Grundlagen zur Auslegung entsprechender Trockner, ebenso die Tatsache, daB die Produktqualitat einiger Guter in ent- scheidendem MaB von der Zusammensetzung der Porenfliissigkeit abhangt und daher Moglichkeiten zur Steuerung derselben gesucht werden. Ziel der in dieser Arbeit durchgefiihrten experimentellen und theo- retischen Studie war es, ein Verstandnis der zugrundeliegenden Stoff- transport-Mechanismen zu erzielen und den EinfluB der Betriebspa- rameter einer Wirbelschicht auf den Trocknungsvorgang zu klaren.

1 Theoretische Grundlagen und Modellierung

Eine Analyse des Problems zeigt, daB der Trocknungsvorgang durch folgende Mechanismen bestimmt wird:

- kapillarer Feuchtetransport, - Phasengleichgewicht zwischen Gas und Porenfliissigkeit, - Stoffiibergang innerhalb der feuchten Poren, - Warme- und Stoffubergang innerhalb der bereits trockenen

- Warme- und Stoffubergang PartikelIWirbelgas. Poren,

Da die Untersuchung auf ein wenig hygroskopisches Gut beschrankt wurde, sol1 die Sorption hier nicht mit berucksichtigt werden. Die exakte Beschreibung des kapillaren Feuchtetransports ist bisher selbst fur rein wasserfeuchte Giiter nicht in befriedigender Weise moglich. Deshalb wird fur die mathematische Beschreibung des Pro- blems das Modell des wandemden Trockenspiegels zugrundegelegt (Abb. 1). Es wird angenommen, daB bezuglich der Verteilung der Gutsfeuchte ein erster und ein zweiter Trocknungsabschnitt unterschieden werden konnen. Im ersten Abschnitt wird die Partikeloberflache durch kapil- laren Transport feucht gehalten, im zweiten Abschnitt zieht sich der

Grenzschicht

trockene Schole

fei

( Tempera tur)

[Molenbruch FI uss.)

3 ( Beladungen Gasphosel v2

Abb. 1. Modell des wandernden Trocknungsspiegels.

* Vortrag von J. Schwurzbuch auf dem Jahrestreffen der Verfahrens- Ingenieure, 21. bis 23. Sept. 1988 in Hannover.

** Dipl.-Ing. J. Schwurzbuch und Prof. Dr.-Ing. h.c. INPL E.-U. Schliinder, Institut fur Thermische Verfahrenstechnik, Univ. Karlsruhe (TH), Kaiserstr. 12, 7500 Karlsruhe 1.

Trockenspiegel, der als mehr oder weniger scharfe Grenzflache zwi- schen einem Gebiet trockener und partiell feuchter Poren zu verste- hen ist, in das Innere der Partikeln zuriick. Dabei wird dem EinfluB des kapillaren Transports auf das Ruckzugsverhalten des Trocknungs- spiegels mit einem einfachen Modell Rechnung getragen. Aufgrund der in einer blasenbildenden Wirbelschicht vorliegenden komplizierten Stromungsverhaltnisse ist eine zuverlassige Vorausbe- rechnung von Warme- und Stoffubergangskoeffizienten zwischen Partikeln und Wirbelgas nicht rnoglich. Die Verwendung eines beste- henden Modells 161 fur Grobkomwirbelschichten kam wegen des ein- geschrankten Gultigkeitsbereichs nicht in Frage. Aus diesem Grund wurden fur die Rechnung Wkme- und Stoffiibergangskoeffizienten zugrundegelegt, die unter der Annahme von Kolbenstromung in der Gasphase aus den Messungen ermittelt wurden. Im zweiten Trocknungsabschnitt entsteht durch das Zuruckweichen der Trocknungsfront ein gasseitiger Stofftransportwiderstand in der nunmehr trockenen Schale. Dies auBert sich primar in einer Abnah- me der Trocknungsgeschwindigkeit. Gleichzeitig wird auch der Zu- sammensetzungsverlauf der Gutsfeuchte beeinflu&: Wahrend die Abluft im ersten Trocknungsabschnitt praktisch im Gleichgewicht mit der Gutsoberflache ist, wird innerhalb des zweiten Trocknungsab- schnittes die Verdunstung zunehmend durch die gasseitige Kinetik bestimmt. Die Selektivitat, d. h. das bevorzugte Entweichen einer Komponente, verschiebt sich in Richtung der schneller diffundieren- den Komponente. Die gleichfalls durch den Ruckzug der Feuchtefront verursachte Zu- nahme des Warmeubergangswiderstandes zwischen Wirbelgas und Trockenspiegel ist bei den gangigen Warmeleitfahigkeiten von Fest- stoffen vemachlassigbar, sofem sich die PartikelgroBe im Bereich eines Millimeters oder weniger bewegt. Innerhalb der feuchten Kemzone der Partikeln bildet sich - bedingt durch die bevorzugte Verdunstung einer Komponente - ein zeitlich veranderliches Konzentrationsprofil aus. Im Grenzfall sehr scharfer Trocknung, d. h. bei groBem Partikeldurchmesser, hohem Gasdurch- satz und niedriger Schutthohe, ist dieses Profil sehr steil und auf den Randbereich der Feuchtefront beschriinkt. Die Zusammensetzung im Inneren der Partikeln stagniert weitgehend, die Trocknung ist unse- lektiv. Bei schonenden Bedingungen dagegen wird die Partikelmitte relativ schnell von den Konzentrationsanderungen an der Phasen- grenze erfaBt, die Trocknung ist selektiv. Bei der Modellierung wurde berucksichtigt, daB Stofftransport quan- titativ sowohl in der Flussigkeit als auch in der Gasphase der teilgesat- tigten Poren stattfindet. Unter der Annahme, daB beide Phasen hin- reichend fein verteilt vorliegen und lokal im Gleichgewicht miteinan- der stehen, kann das Problem mit nur einer Stofftransportgleichung und einem effektiven Diffusionskoeffizienten beschrieben werden. Dieser hangt ab von den binaren Diffusionskoeffizienten und Dichten der Komponenten in beiden Phasen, dem Gleichgewicht Gas/ Fliissigkeit und dem Sattigungsgrad der Poren.

2 Versuchsanlage und Ergebnisse

Zur experimentellen Untersuchung der Problemstellung wurde die in Abb. 2 skizzierte Adage konzipiert. Aus Explosionsschutzgrunden wurde als Wirbelgas ein Stickstoff/Luft-Gemisch verwendet, so da6 eine geschlossene Kreislauffuhrung notwendig war. Die Entfernung der Trocknungskomponenten aus der Abluft erfolgte mittels eines Kondensators und zweier wechselweise betriebener Adsorber mit 9-A-NaX-Molekularsieb. Mit Hilfe zweier Infrarot-ProzeBphotometer wurde die Abluftzu- sammensetzung gemessen und durch Bilanzierung der zeitliche Ver- lauf der Gutsfeuchte sowie deren Zusammensetzung ermittelt. Die Wirbelschichtkammer bestand aus einem 1 m langen Glasrohr

Chem.-1ng.-Tech. 61 (1989) Nr. 4, S. 309-311 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1989 0009-286Xl8910404-0309 $ 02.5010

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Heizung ProzeEphotorneter Kondensator stat Mischer Pumpe Wirbelschicht Warmeaustauscher

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Abb. 2. HieBbild der Versuchsanlage.

von 20 an Innendurchmesser. Als Trocknungsgut wurde ein nur we- nig hygroskopischer Katalysatortrager aus Aluminiumsilicat mit einer PorosiGt von a. 30 YO, einem mittleren Porendurchmesser von 0,4 pm und einer Partikeldichte von 1650 kg/m3 venvendet. Die mittleren Korndurchmesser der relativ engen Siebfraktionen lagen bei 0,61; 1,OO; 1,35 und 1,73 mm. Als Versuchsgemisch diente Isopropanol/ Wasser mit Anfangsmolenbriichen von 0 bis 1. Variiert wurden femer der Gasdurchsatz rit, (1,3; 2,O; 2,7 kg/m2s), die Ruheschiitthohe (5; 10; 15 cm) und die Lufteintrittstemperatur (50; 100, 150 "C). Die Abb. 3 und 4 zeigen beispielhaft Ergebnisse aus Messung und Rechnung fur den Zusammensetzungsverlauf bei stark unterschiedli- chen Trocknungsbedingungen. Aufgetragen ist der mittlere Molen- bruch der Porenfliissigkeit uber der mit dem Anfangswert normierten Gutsfeuchte fur jeweils verschiedene Anfangszusammensetzungen. In Abb. 3 sind die Ergebnisse bei sehr schonenden Trocknungsbedin- gungen dargestellt. Es konnen klar zwei durch das Azeotrop des Ge- misches getrennte Bereiche unterschieden werden. Bei niedrigen Molenbriichen ist der Alkohol fliichtiger, bei hoheren dagegen ent- weicht - wenn auch weniger deutlich - bevorzugt Wasser. Die Ver- dunstung erfolgt nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht. Bei den in Abb. 4 dargestellten Ergebnissen ist die Trocknung weitge- hend durch die Stofftransportkinetik bestimmt. Dabei werden zwei Effekte sichtbar: Zum einen erfolgt in einem mittleren Konzentra- tionsbereich (0,4 < R, < 0,6) eine Umkehr der Selektivitat, was auf den vorher diskutierten EinfluB des gasseitigen Stofftransportwider- stands in der trockenen Randzone zuriickzufiihren ist. Zum arideren verandert sich, bedingt durch die geringe Eindringtiefe des Konzen- trationsprofils im feuchten Kern, die Zusammensetzung sehr vie1 we- niger als bei schonenden Trocknungsbedingungen.

Trocknongsgut : Aluminiumsilicat Flksigkei t : lsopropanol(1 )/Wasser hrtikeldurchmesser : 0.61 mm Lufteintrittstemperatur : 100 *C Ruhende Schutthohe : 15cm

Abb. 3. Verlauf des Molenbruchs 2, iiber der relativen Feuchte XIXo bei schonenden Trocknungsbedingungen.

Trocknungsgut : Aluminiumsilicat FLuaigkeit : IsopropanoL(l)/Wasssr Lufteintrittstemperatur : 100 F Partikeldunhmesscr : 1.35 mm ruhende Schutthohe : 5 cm

1 91

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Q6

0.2

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Abb. 4. Zusammensetzungsverlauf bei scharfen Trocknungsbedin- gungen.

Die MeSwerte konnen durch die Rechnung insgesamt recht gut wie- dergegeben werden. Lediglich im Bereich hoherer Alkoholgehalte und kleiner Gutsfeuchten zeigen sich deutliche Abweichungen, deren Ursache nicht eindeutig geklart werden konnte, vermutlich aber auf sorptive Effekte zuriickzufiihren ist.

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Eine Erhohung der Lufteintrittstemperatur fiihrt zwar zu einer Erho- hung der Trocknungsgeschwindigkeit und damit zu schiirferen Trock- nungsbedingungen, hat aber nur einen geringen EinfluB auf den Ver- lauf der Zusammensetzung. Dies ist auf den mit der ansteigenden Gutstemperatur ebenfalls schnell anwachsenden effektiven Diffu- sionskoeffizienten in der Fliissigkeit zuriickzufiihren, der diesen Ef- fekt kompensiert. Die Trocknungsverlaufskurven, d. h. die Auftragungen des auf die Gutsoberflache bezogenen Verdunstungsmassenstroms iiber der Gutsfeuchte, zeigen folgende Abhhgigkeiten: - Die Trocknungsgeschwindigkeit ist stark abhiingig vom Gehalt der

fliichtigeren Komponente. - Bedingt durch die Stofftransportkinetik fallt bei scharfen Trock-

nungsbedingungen die Trocknungsgeschwindigkeit von Beginn an steil ab, bei schonenden Bedingungen erst in der Austrocknungs- phase, wobei sich der EinfluB der Zusammensetzung der Guts- feuchte iiberlagert.

- Ein ausgepragter erster Trocknungsabschnitt existiert nur, wenn die Gutsfeuchte aus reinem Wasser besteht.

Das Ergebnis der Untersuchung last sich wie folgt zusammenfassen: Bei schonenden Trocknungsbedingungen, welche iiber eine gro6e Schutthohe, einen niedrigen Gasdurchsatz und/oder einen relativ kleinen Partikeldurchmesser eingestellt werden konnen, andert sich die Zusammensetzung gemaB dem thermodynamischen Gleichge- wicht, das Wirbelgas bewegt sich stets nahe an der Absattigung.

Bei scharfer Trocknung hingegen ist der Vorgang maBgeblich durch die Stofftransportkinetik beeinfluBt. Der gasseitige Stofftransportwi- derstand fiihrt zu einer beschleunigten Verdunstung der Komponente mit dem groBeren Diffusionskoeffizienten, der fliissigseitige Stoff- transportwiderstand hingegen bewirkt eine unselektive Verdunstung, d. h. eine Stagnation der Zusammensetzung der Gutsfeuchte. Die Austrocknungsphase scheint auch bei wenig sorptiven Giitern durch Sorption beeinflu&.

Die Autoren bedanken sich bei der Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen (AIF) fur die Finanzierung dieser Arbeit.

Eingegangen am 21. Dezember 1988 [K 10261

Literatur

113 Thurner, F.: Dissertation, Univ. Karlsruhe 1985. [2] Heimunn, F.: Dissertation, Univ. Karlsruhe 1987. [3] Schliinder, E.-U.: Chem.-1ng.-Tech. 59 (1987) S. 823/833. [4] Thijssen, H. A. C.; Rulkens, W. H.: De Ingenieur 80 (1968)

[5] Chundrusekurun, S. K.; King, C. J.: AIChEJ. 18 (1972) S. 520/

[6] Hilligurdt, K.: Dissertation, TU Hamburg-Harburg 1986.

Ch 45/59.

526.

EinfluR des Druckes auf die Schwingungs- anfalligkeit von mantelseitig gasdurch- stromten Warmeaustauschern*

Ernst Heinecke und Wolfgang Hahn**

Untersuchungen iiber das Schwingungsverhalten von mantelseitig gasdurchstromten Rohrbiindeln wurden fast ausschlieBlich in atmo- spharischen Windkanalen durchgefiihrt. Viele verfahrenstechnische Anlagen werden jedoch bei statischen Driicken p % 1 bar betrieben. Daher ist fraglich, ob die bei p = 1 bar gewonnenen Ergebnisse auf ho- here statische Driicke extrapolierbar sind. Um den DruckeinfluB ab- schatzen zu konnen, wird zunachst rekapituliert, auf welchen Voraus- setzungen bisher in der Praxis verwendete Modellregeln beruhen. Danach wird iiberlegt, welchen EinfluB hoher statischer Druck haben konnte. Erste Versuchsergebnisse werden mitgeteilt.

1 Modellvorstellung

1.1 Wirbelerregte Schwingungen

Man nimmt an, daB bei querangestromten Rohren durch regelmaBig ablosende Wirbel instationare Kriifte in Stromungsrichtung und senk- recht dazu entstehen. Die Frequenz der Wirbel wird durch die Strou- hal-Zahl S, welche experimentell ermittelt werden muR, beschrie- bed):

* Vortrag von E. Heinecke auf dem Jahrestreffen der Verfahrens- Ingenieure, 30. Sept. bis 2. Okt. 1987 in Freiburg.

** Dr. E. Heinecke und Dipl.-Ing. W. Huhn, Institut fiir Reaktorbau- elemente, Kernforschungsanlage Jiilich GmbH, 5170 Jiilich.

Die instationaren Krafte Fi, F; sind proportional zum Staudruck q = p u2/2 und zur Stirnflache des Rohres. Den Proportionalitatsfak- tor nennt man Kraftbeiwert (s. GI. (2)):

In Warmeaustauschern treten regelmaBige Wirbel bestenfalls in den beiden ersten Reihen auf. Danach wird die Stromung zunehmend tur- bulent. Eine regelmaBige Schwingungsanregung durch Wirbel ist also fur Rohre stromab der zweiten Reihe unwahrscheinlich (siehe dazu [I-41).

1.2 Fluidelastische Schwingungen

Von groBer praktischer Bedeutung sind stromungsinduzierte Schwin- gungen, bei denen die instationiiren Krafte im Takt der elastischen Rohre verstarkt werden. Die meisten Schadensfalle sind wahrschein- lich auf diesen Effekt zuriickzufiihren. Weil eine positive Riickkopp- lung zwischen dem mantelseitigen Fluid und den elastischen Rohren stattfindet, spricht man von Fluidelastizitat. Je nach Rohrteilung tre- ten dabei unterschiedliche Kopplungseffekte auf (siehe dazu

Modellversuche wurden mit schwingenden Rohren durchgefiihrt. Er- gebnisse sind aus [2-51 ersichtlich. Zur Deutung der Ergebnisse dient folgende einfache Modellvorstellung: Man betrachtet die Rohre als Einmassenschwinger mit geschwindigkeitsproportionaler Diimpfung und h e a r e r Federkonstante. Die anregende Stromungskraft ist pro- portional zum Staudruck und sinusformig, s. GI. (3):

m x + b i + c x = k - s m O t .

P, 31).

(3) PU2 . 2

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

Chem.-1ng.-Tech. 61 (1989) Nr. 4, S. 311-314 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1989 0009-286X/89/0404-0311 $ 02.50/0

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