Ausarbeitung der Pfropfenströmung zum effektiven Extraktionswerkzeug in der Mikroverfahrenstechnik

Abstract

Der allgemeine Trend zur Prozessintensivierung lässt die Mikroverfahrenstechnik aufgrund ihrer charakteristischen kurzen Transportwege fürWärme- und Stoffströme in den Interessensfokus rücken. Speziell für rein transportlimitierte Prozesse wie die Extraktion kann eine Miniaturisierung erhebliche Verbesserungen hervorbringen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher die flüssig-flüssig Pfropfenströmung als Extraktionswerkzeug weiterentwickelt. Zum einen wurde dabei die Beseitigung bisheriger Nachteile beim Einsatz der Pfropfenströmung fokussiert. Hierzu zählen die noch nicht abschließend erforschten Vorgänge bei der Phasentrennung, sowie der noch erhebliche Aufwand bei der Parallelisierung. Zum anderen wurde die Pfropfenströmung in Anwendungsgebieten untersucht, die für bisherige Extraktionsapparate noch große Herausforderungen darstellen. Die Vorgänge während der Phasentrennung wurden durch numerische Simulationen näher untersucht. Hierfür wurde als ein Hauptpunkt der Arbeit eine numerische Methode mit besonders geringen parasitären Strömungen entwickelt. Bei hohen Volumenströmen wurden dabei instationäre Beschleunigungsdruckverluste in den Fluidausgängen des Trennapparates als signifikanter Einfluss identifiziert. Daraufhin wurden experimentell Trennweisen untersucht, die derartige Beschleunigungseffekte auf das Volumen des Trennapparates begrenzen können. Die Reduzierung der Druckverluste und der Verzicht auf feinporige Membranen erlaubten den Einsatz von Ferrofluiden als disperse Phase, wodurch magnetische Spulen als Sensor eingesetzt werden konnten, die in Folgearbeiten gleichzeitig als Aktuator wirken können. Parallel wurde die Pfropfenströmung bei der Extraktion aus hochviskosen Medien heraus charakterisiert, da die bisher konventionell eingesetzten Extraktionskolonnen bei geringen Dichtedifferenzen, hohen Grenzflächenspannungen und viskosen Fluiden entweder keinen stabilen Gegenstrombetrieb mehr erlauben oder starke Einbußen im Stofftransport verzeichnen. Um die Pfropfenströmung unter diesen Bedingungen effektiv parallelisieren zu können, wurde ein Verschaltungskonzept erarbeitet und in kleinen Dimensionen experimentell plausibilisiert. Die Pfropfenströmung wird auf Basis der erarbeiteten Ergebnisse für die Anwendung auf herkömmliche Extraktionsaufgaben nicht als konkurrenzfähig bewertet. Stattdessen konnte die Pfropfenströmung als vielversprechendes Werkzeug überzeugen, wenn die Dichtedifferenz beider Phasen besonders klein ist, die Grenzflächenspannung hoch ist, oder derWertstoff aus einer hochviskosen Phase herausextrahiert werden soll.

The overall trend for process intensification leads to an increased focus on micro process engineering due to the enhanced heat and mass transfer. Especially transfer limited processes like extraction can massively benefit from miniaturization. The scope of this work was to extend the liquid-liquid slug flow as an extraction tool. Therefore, elimination of existing disadvantages of slug flow were focused. Incomplete model accuracy for prediction of clean phase splitting and huge parallelization effort count to these drawbacks. Beside these developments slug flow was characterized in application areas that are still challenging for typical extraction devices. Phase split phenomena were investigated numerically. As main part of this work a numerical method was developed that exhibits extremely low parasitic currents. The simulations show significant instationary acceleration effects of the fluids in the surrounding piping. As a result other phase splitting methods were investigated experimentally that are able to limit those effects to the inner device volume. The reduction of pressure drop and the removal of membranes allowed the use of ferrofluids as disperse phase. These ferrofluidic slugs were detectable for monitoring reasons by inductors that may be used as actuators as well in following studies. Parallel to these investigations the liquid-liquid slug flow was evaluated during extraction form highly viscous media. Typical extraction devices are still challenged by small density differences, high surface tensions or high viscosities due to inhibited counter-current flow or reduced mass transfer. To parallelize slug flow extraction units under these circumstances a new parallelization concept was developed and showed plausible results. Overall, slug flow is evaluated to be not competitive to state of the art extraction devices for common extraction tasks. Instead slug flow turned out to be a highly recommended tool for extractions incorporating small density differences, big surface tensions or high viscosities.