Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet Druckverlust und Flutgrenze in berieselten Packungen nach VDI-Wärmeatlas, Kapitel L2.6 (12. Auflage 2019). In Füllkörper- und Packungskolonnen für Rektifikation, Absorption und Desorption strömen Gas und Flüssigkeit im Gegenstrom durch die Schüttung bzw. strukturierte Packung. Der Druckverlust des berieselten Betts und die Lage der Flutgrenze sind die zentralen hydraulischen Auslegungsgrößen: Sie bestimmen den zulässigen Gasdurchsatz und damit den Kolonnendurchmesser.
Gegenüber der trocken durchströmten Schüttung verengt der Flüssigkeitsfilm (Holdup) den freien Querschnitt, sodass der Druckverlust mit steigender Berieselungsdichte wächst. Oberhalb der Staugrenze staut die Gasströmung zunehmend Flüssigkeit in der Packung auf; an der Flutgrenze schließlich wird die Flüssigkeit nicht mehr abwärts transportiert, die Kolonne flutet und der Stoffaustausch bricht zusammen. Wer den Druckverlust einer Packungskolonne berechnen will, muss deshalb immer auch den Abstand des Betriebspunkts zur Flutgrenze ausweisen.
Das Verfahren des VDI-Wärmeatlas beschreibt diese Zusammenhänge über Kennzahlen der Gas- und Flüssigkeitsbelastung sowie packungsspezifische Kenngrößen und gilt für regellose Füllkörperschüttungen ebenso wie für strukturierte Packungen, deren Kenndaten (spezifische Oberfläche, Lückengrad, Widerstandskonstanten) vom Hersteller bzw. aus Datensammlungen stammen.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI-Wärmeatlas, 12. Auflage 2019
So läuft die Berechnung ab
- Packung und Stoffsystem festlegen: Packungstyp mit spezifischer Oberfläche, Lückengrad und packungsspezifischen Konstanten sowie die Stoffwerte beider Phasen (Dichten, Viskositäten, ggf. Oberflächenspannung) bei Betriebsbedingungen werden erfasst.
- Belastungen definieren: Gasbelastung (z. B. als F-Faktor, dem Produkt aus Leerrohrgeschwindigkeit und Wurzel der Gasdichte) und Berieselungsdichte der Flüssigkeit legen den Betriebspunkt im Belastungsdiagramm der Kolonne fest.
- Trockendruckverlust berechnen: Zunächst wird der Druckverlust der unberieselten Packung aus Widerstandsbeiwert, Lückengrad und dynamischem Druck der Gasströmung bestimmt – er ist die Bezugsgröße für den berieselten Zustand.
- Flüssigkeits-Holdup und berieselten Druckverlust bestimmen: Der Flüssigkeitsinhalt der Packung verengt den freien Querschnitt und erhöht die effektive Gasgeschwindigkeit; der Druckverlust des berieselten Betts ergibt sich aus dem Trockendruckverlust mit einem holdup-abhängigen Verstärkungsfaktor, der zur Staugrenze hin stark anwächst.
- Flutgrenze und Betriebsreserve ausweisen: Die Flutgrenze wird aus der Bedingung bestimmt, dass der Abwärtstransport der Flüssigkeit gerade zusammenbricht; der Betriebspunkt wird üblicherweise auf einen definierten Abstand dazu gelegt (typisch 70 bis 80 % der Flutgasbelastung), was zugleich den Kolonnendurchmesser festlegt.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Eintrittstemperatur | TE | °C |
| Austrittstemperatur | TA | °C |
| Mittlere Temperatur | T | °C |
| Mittlere Dichte Gas | ρg | kg/m³ |
| Mittlere Dichte Flüssigkeit | ρfl | kg/m³ |
| Dynamische Viskosität Gas | ηg | mPa·s |
| Dynamische Viskosität Flüssigkeit | ηfl | mPa·s |
| Kinematische Viskosität Gas | νg | m²/s |
| Kinematische Viskosität Flüssigkeit | νfl | m²/s |
| Oberflächenspannung Flüssigkeit | σfl | N/m |
| Porosität der Packung | ψ | - |
| Füllkörperhöhe | H | m |
| Leerrohrgeschwindigkeit | uG | m/s |
| Leerrohrgeschwindigkeit (Flutpunkt) | uGFl | m/s |
| Berieselungsstärke | uL | m/s |
| Partikeldurchmesser Füllkörper | dP | m |
| Spez. geometrische Oberfläche | at | 1/m |
| Reynoldszahl (Betriebspunkt) | ReG | - |
| Reynoldszahl (Flutpunkt) | ReGFl | - |
| Flutgrenze | Δpt,Flut | - |
| Staugrenze | Δpt,Stau | - |
| Flutfaktor | Flutfaktor | - |
| Dimensionslose Berieselungsdichte | B | - |
| Flüssigkeitsinhalt (Flutpunkt) | ⇒ hLFl | - |
Häufige Fragen
Woran erkennt man das Fluten einer Packungskolonne?
Am steilen Anstieg des Druckverlusts bei nahezu unveränderter Gasbelastung, an aufgestauter Flüssigkeit über der Packung und an stark schwankenden Differenzdrücken. Im Belastungsdiagramm knickt die Druckverlustkurve oberhalb der Staugrenze deutlich nach oben ab; die Flutgrenze ist ihr asymptotischer Endpunkt. Ein Betrieb nahe der Flutgrenze ist instabil und führt zum Zusammenbruch der Trennwirkung.
Warum legt man den Betriebspunkt auf etwa 70 bis 80 % der Flutbelastung?
Unterhalb dieser Reserve bleibt die Hydraulik stabil gegenüber Schwankungen von Durchsatz, Druck und Schaumneigung, während die Packung gleichzeitig gut benetzt und der Stoffaustausch effektiv ist. Eine zu konservative Auslegung (deutlich unter 50 %) vergrößert den Kolonnendurchmesser unnötig und kann bei zu geringer Berieselungsdichte sogar die Benetzung verschlechtern.
Gelten die Korrelationen für Füllkörper und strukturierte Packungen gleichermaßen?
Die Modellstruktur ist gleich, die packungsspezifischen Kenngrößen (spezifische Oberfläche, Lückengrad, Widerstands- und Holdup-Konstanten) unterscheiden sich jedoch erheblich. Strukturierte Packungen erreichen bei gleichem Druckverlust deutlich höhere Belastungen. Entscheidend ist, dass die Konstanten aus Messungen am konkreten Packungstyp stammen – die Übertragung zwischen Typen ist eine häufige Fehlerquelle.
Welchen Einfluss haben schäumende Systeme auf die Flutgrenze?
Schaumbildung bindet zusätzlich Flüssigkeit in der Packung und setzt die praktisch nutzbare Flutgrenze deutlich herab – die rein hydraulisch berechnete Grenze wird dann nicht erreicht. Für schäumende Systeme (z. B. Aminwäschen) werden in der Praxis Abminderungsfaktoren auf die zulässige Gasbelastung angesetzt; die Korrelationen selbst enthalten diesen Effekt nicht.