Übersichtsbeitrag Tropfencluster – Analytik, Simulation und Visualisierung Hans-Jörg Bart 1 *, Mark W. Hlawitschka 1 , Matthias Mickler 1 , Moutasem Jaradat 1 , Stephan Didas 2 , Fang Chen 3 und Hans Hagen 3 DOI: 10.1002/cite.201100014 Moderne optische Messtechniken in Kombination mit Algorithmen der Bildanalyse erlauben es, komplexe Tropfencluster in der Extraktionskolonne messtechnisch zu erfassen. In Labor- und Technikumskolonnen werden Versuche durch- geführt, um Informationen zu Tropfenschwärmen in Abhängigkeit der Prozessparameter zu erhalten. Eine Erweiterung des Kolonnensimulationstools LLECMOD erfolgte von gerührten Kolonnen hin zu gepackten und pulsierten Kolonnen mit der Möglichkeit der freien Wahl der dispersen Phase und Stoffaustauschrichtung. Die CFD-Simulation liefert die Grundlage zur dreidimensionalen Simulation der Hydrodynamik in gerührten Extraktionskolonnen. Eine vereinfachte Tropfenpopulationsbilanz (Eingruppenmodell) ermöglicht eine Bestimmung der Tropfengröße mit geringer zusätzlicher CPU-Zeit. Eine verbesserte Visualisierung der Kolonnendaten im 3D-Raum erlaubt es, gezielte Analysen des Apparatever- haltens durchzuführen. Schlagwörter: Bildanalyse, Computational Fluid Dynamics, Extraktion, Partikelmesstechnik, Populationsbilanzen Eingegangen: 15. Februar 2011; revidiert: 19. April 2011; akzeptiert: 06. Mai 2011 Droplet Cluster – Analysis, Simulation and Visualization Optical measurements are performed with an inline measurement technique in laboratory and pilot plant columns to obtain information about the droplet swarm at specific locations as a function of process parameters, e.g., time, energy input, and throughput. The column simulation tool LLECMOD was extended to packed and pulsed columns with the possibility of a free choice of the dispersed phase and mass transfer direction. The CFD simulation provides the basis for 3D simulation of hydrodynamics in stirred extraction columns. A one-group population balance model allows a determina- tion of the changing droplet size with little additional CPU time. An enhanced visualization of the column data in 3D space allows fast and targeted analysis of the apparatus behavior. Keywords: Computational Fluid Dynamics, Extraction, Image analysis, Particle measurement, Population balance 1 Einleitung Die konjunkturellen Schwankungen und der Bedarf, schnell und in kürzeren Zeitabständen neue Produkte auf den Markt zu bringen, erfordern eine schnelle, gesicherte und fundierte Auslegung von Apparaten. Die Flüssig/Flüssig-Extraktion stellt mitunter eine sehr komplexe Herausforderung in Bezug auf die Auslegung verfahrenstechnischer Apparate dar, die u. a. durch eine hohe Interaktion der beiden Phasen bedingt wird. Die Charakteristik von Tropfenschwärmen ändert sich über die Kolonnenhöhe. Wird die Größe der Tropfen unter- halb des ersten Kompartiments wesentlich durch die Ein- trittsdüse und den Volumenstrom bestimmt, verändert sie sich mit der Verweilzeit in der Kolonne durch Koaleszenz Chemie Ingenieur Technik Chemie Ingenieur Technik 2011, 83, No. 7, 965–978 © 2011 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.cit-journal.com – 1 Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Hans-Jörg Bart (bart@mv.uni-kl.de), Dipl.-Ing. Mark W. Hlawitschka, Matthias Mickler, M.Sc.M.Sc.Eng. Moutasem Jaradat, Technische Universität Kaiserslautern, Lehr- stuhl für Thermische Verfahrenstechnik, Postfach 3046, 67653 Kai- serslautern, Germany; 2 Dr. Stephan Didas, Fraunhofer ITWM, Abteilung Bildverarbeitung, Fraunhofer-Platz 1, 67663 Kaiserslau- tern, Germany; 3 M. Appl. Math. and CE Fang Chen, Prof.Dr. Hans Hagen, Technische Universität Kaiserslautern, Computer Graphics and HCI Group, Postfach 3049, 67653 Kaiserslautern, Germany. Partikelmesstechnik 965