Promotion & Dissertation

Titel der Dissertation

In-line-Analyse, Simulation und Vorhersage von flüssigen Mehrphasenströmungen in Extraktionskolonnen

Autor

Dr.-Ing. M.Sc. Matthias Mickler

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Dissertation Matthias Mickler (18 von 120 Seiten)

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige Methode zur in-line Analyse, Simulation und Vorhersage von flüssigen Mehrphasenströmungen am Beispiel der Extraktionskolonnen vorgestellt. Schwerpunkte vor dem Hintergrund der Echtzeittauglichkeit sind

die Entwicklung der Optical Multimode Online Probe (OMOP) zur Ermittlung von räumlich und zeitlich aufgelösten Tropfengrößenverteilungen,
die Implementierung einer integralen Leitfähigkeitsmessmethode zur Beschreibung des lokalen und globalen Hold-up innerhalb der Kolonne,
die Implementierung und Anwendung der One Primary One Secondary Particle Method (OPSOPM) als primäre Methode zur Simulation und Vorhersage,
die Entwicklung des Online Monitoring and Simulation Tools (OMST), in dem alle obigen Module oder Methoden implementiert sind sowie
die experimentelle Evaluation der Gesamtmethode in Extraktionskolonnen mit dem Fokus auf stationäre und instationäre Prozesszustandsänderungen.

Die Optical Multimode Online Probe (OMOP) ist eine fotooptische, nach dem intrusiven Prinzip arbeitende Partikelmesssonde und verfügt über ein kompaktes strömungsoptimiertes Gehäuse mit 38mm Durchmesser. Die Sonde erlaubt die Analyse von Tropfencharakteristiken mit hoher Präzision und ermöglicht Verarbeitungsgeschwindigkeiten von 15-20Hz je vollständiger Tropfengrößenverteilung á 300-400 Einzeltropfen. Durch die objektseitig-telezentrische Optik sind die vermessenen Objekte unabhängig von ihrer Distanz zur Frontlinse. Dadurch lassen sich die Objekte sowohl im Durchlicht als auch im Auflicht analysieren. Für die Bildanalyse werden je nach Beleuchtung zwei Algorithmen verwendet: Die euklidische Distanztransformation in Kombination mit einem Watershed-Segmentierungsansatz erlaubt die online Verarbeitung von Durchlichtbildern, der adaptive aber noch nicht online-fähige fortgeschrittene Random-Forest Classifier Ansatz ermöglicht die Vorsegmentierung von Auflichtbildern um sie der Distanztransformation zuführen zu können. Es kann gezeigt werden, dass die Bildanalyse robust ist gegen Überlappung und einsetzbar ist bei einem Hold-up bis zu 20% bzw. einer Opazität >80%.
Während die OMOP zuverlässige Informationen über Tropfengrößenverteilungen liefert, wird festgestellt, dass eine Berechnung des integralen Hold-up auf Basis dieser lokalen Messung nicht ratsam ist. Aus diesem Grund wird eine elektrolytische Leitfähigkeitsmessmethode mittels Measurement & Control Unit (MCU) implementiert, die die Analyse des integralen Hold-up innerhalb jeder Rührzelle und über der gesamten Kolonnenhöhe erlaubt.
Die One Primary One Secondary Particle Method (OPSOPM) für die Simulation und Vorhersage zeigt gute Übereinstimmung in der experimentellen Evaluation. OPOSPM erlaubt die Beschreibung des Trends der Tropfengrößen und des Hold-up mit Abweichungen von unter 10%. Es wird jedoch eine grundsätzliche Abhängigkeit des Ansatzes von Coulaloglou (1976) zur Koaleszenzmodellierung von der Rührerdrehzahl gefunden. Dies bestätigt vorherige Arbeiten, zeigt aber auch die Bedeutung zum detaillierten Verständnis der den Mehrphasenströmungen zugrundeliegenden Effekten.
Das Online Monitoring and Simulation Tool (OMST) beinhaltet alle obigen Ansätze in Form von parallelisierten Modulen zur Online-Analyse, Simulation und Vorhersage. Die Regelung von flüssigen Mehrphasenströmungen ist vorbereitet aber nicht im Bestandteil dieser Arbeit.
Experimentell wird das fluiddynamische Verhalten von Mehrphasenströmungen (am Beispiel des Stoffgemischs Toluol und Wasser) untersucht, besonderer Fokus liegt auf stationären und instationären Proesszustandsänderungen.

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