Übungen im TVT-Labor

Ethanol, das als Komponente in Ottokraftstoff verwendet werden soll, muss die in der DIN EN
15376 genannten Anforderungen erfüllen. Unter anderem ist hierbei der Wassergehalt auf maximal
0,3 Ma% (ca. 0,8 Mol%) begrenzt.
Für die „Trocknung“ oder „Absolutierung“ von Ethanol – d.h. die Herstellung von nahezu reinem
Ethanol aus der bei der Normaldruckdestillation anfallenden azeotropen Mischung mit etwa 5 Ma%
(ca. 12 Mol%) Wasser kommen eine Reihe von Verfahren in Frage. Man kann beispielsweise die
Destillation / Rektifikation bei zwei verschiedenen Druckstufen durchführen und dabei die mit der
Temperatur unterschiedliche Flüchtigkeit ausnutzen. Ein weiteres Verfahren stellt die
Azeotroprektifikation dar, bei der dem azeotropen Gemisch ein Schleppmittel zugesetzt wird.
Man kann andererseits für die Trennung die unterschiedlichen Molekülgrößen von Ethanol und
Wasser nutzen. Dies geschieht bei der Dampfpermeation / Pervaporation (Membrantrennverfahren)
oder bei der Trennung mittels Zeolith (Molekularsiebverfahren). Durch die Poren des Zeoliths
werden Wassermoleküle aufgenommen, während die (größeren) Alkoholmoleküle nicht eindringen
können und das Bett durchströmen.
Bei der Adsorption werden an der Phasengrenzfläche fester Stoffe Moleküle aus der umgebenden
Gas- oder Flüssigphase gebunden. Der entsprechende Feststoff wird als Adsorbens bezeichnet, die
adsorbierte Phase als Adsorbat und die freien, nicht adsorbierten Moleküle als Adsorptiv.
Im Versuch geht es darum, ausgewählte experimentelle Grundlagen zu erarbeiten. Untersucht wird
der Prozess der Ethanoltrocknung mittels Zeolith. Ziel der Untersuchungen ist es, Informationen zu
erhalten zur Bilanzierung des Prozesses, zu möglichen Betriebsbedingungen, zum Energie- und
Materialaufwand. Die selbst erarbeiteten Daten sollen mit Literaturdaten und / oder Daten aus einer
Produktionsanlage verglichen werden. Dabei ist es klar, dass der im Labor durchgeführte Versuch
keine direkt verwertbaren Zahlen für die Berechnung des technischen Prozesses liefert.
Zur Vorbereitung auf den Versuch beschäftigen Sie sich bitte mit dem Verhalten azeotroper
Gemische und Ablauf und Bilanzierung von Adsorptionsprozessen (beispielsweise in [5]). Dazu
gehören u.a. die Beladung von Dampf- und Festphase, das Adsorptionsgleichgewicht, die
Adsorptionsenthalpie, die Adsorptionszone, der Durchbruchspunkt, eine Energiebilanz. Die
folgenden Ausführungen stellen lediglich eine kurze Einführung dar.1. Grundlagen
Ethanol, das als Komponente in Ottokraftstoff verwendet werden soll, muss die in der DIN EN
15376 genannten Anforderungen erfüllen. Unter anderem ist hierbei der Wassergehalt auf maximal
0,3 Ma% (ca. 0,8 Mol%) begrenzt.
Für die „Trocknung“ oder „Absolutierung“ von Ethanol – d.h. die Herstellung von nahezu reinem
Ethanol aus der bei der Normaldruckdestillation anfallenden azeotropen Mischung mit etwa 5 Ma%
(ca. 12 Mol%) Wasser kommen eine Reihe von Verfahren in Frage. Man kann beispielsweise die
Destillation / Rektifikation bei zwei verschiedenen Druckstufen durchführen und dabei die mit der
Temperatur unterschiedliche Flüchtigkeit ausnutzen. Ein weiteres Verfahren stellt die
Azeotroprektifikation dar, bei der dem azeotropen Gemisch ein Schleppmittel zugesetzt wird.
Man kann andererseits für die Trennung die unterschiedlichen Molekülgrößen von Ethanol und
Wasser nutzen. Dies geschieht bei der Dampfpermeation / Pervaporation (Membrantrennverfahren)
oder bei der Trennung mittels Zeolith (Molekularsiebverfahren). Durch die Poren des Zeoliths
werden Wassermoleküle aufgenommen, während die (größeren) Alkoholmoleküle nicht eindringen
können und das Bett durchströmen.
Bei der Adsorption werden an der Phasengrenzfläche fester Stoffe Moleküle aus der umgebenden
Gas- oder Flüssigphase gebunden. Der entsprechende Feststoff wird als Adsorbens bezeichnet, die
adsorbierte Phase als Adsorbat und die freien, nicht adsorbierten Moleküle als Adsorptiv.
Im Versuch geht es darum, ausgewählte experimentelle Grundlagen zu erarbeiten. Untersucht wird
der Prozess der Ethanoltrocknung mittels Zeolith. Ziel der Untersuchungen ist es, Informationen zu
erhalten zur Bilanzierung des Prozesses, zu möglichen Betriebsbedingungen, zum Energie- und
Materialaufwand. Die selbst erarbeiteten Daten sollen mit Literaturdaten und / oder Daten aus einer
Produktionsanlage verglichen werden. Dabei ist es klar, dass der im Labor durchgeführte Versuch
keine direkt verwertbaren Zahlen für die Berechnung des technischen Prozesses liefert.
Zur Vorbereitung auf den Versuch beschäftigen Sie sich bitte mit dem Verhalten azeotroper
Gemische und Ablauf und Bilanzierung von Adsorptionsprozessen (beispielsweise in [5]). Dazu
gehören u.a. die Beladung von Dampf- und Festphase, das Adsorptionsgleichgewicht, die
Adsorptionsenthalpie, die Adsorptionszone, der Durchbruchspunkt, eine Energiebilanz. Die
folgenden Ausführungen stellen lediglich eine kurze Einführung dar.

Rektifikation oder mehrstufige Destillation ist die Trennung von Flüssigkeitsgemischen unter
Nutzung des unterschiedlichen Siedeverhaltens der Einzelkomponenten. In der industriellen Praxis
werden zur destillativen Trennung Bodenkolonnen mit einer stufenweisen Trennung bzw.
Füllkörperkolonnen oder Packungskolonnen mit stetiger Trennung eingesetzt. Für die Auslegung
von Füllkörper- und Packungskolonnen muss die Wirksamkeit der verschiedenen Füllkörper bzw.
Packungen bekannt sein, die durch den sog. HETP-Wert (height equivalent for one theoretical
plate) ausgedrückt werden kann. Es ist diejenige Schüttungshöhe, die der Dampf durchströmen
muss, um eine gleiche Anreicherung wie auf einem theoretischen Boden zu erreichen.
In diesem Versuch soll in einer kontinuierlich betriebenen Rektifikationskolonne der Einfluss der
Prozessbedingungen, hier der Heizleistung, auf Quantität und Qualität des erzeugten Kopfproduktes
untersucht werden.
Zur Vorbereitung auf den Versuch beschäftigen Sie sich bitte mit der Stofftrennung in der
Rektifikation inkl. der Wirkungsweise eines (theoretischen) Bodens, dem Verhalten azeotroper
Gemische, und der Bilanzierung von Rektifikationsprozessen. Zum letzten Punkt gehören die
Gesamtmassenbilanz, die Komponentenbilanzen, das Rücklaufverhältnis und die Energiebilanz.
Für das vorgegebene Stoffsystem Ethanol / Wasser erhalten Sie als Arbeitsmaterial zusätzlich zu
dieser Anleitung das Phasengleichgewichtsdiagramm (analog zu Abb. 1) und die dazu gehörigen
Daten sowie die technischen Daten zur Anlage.

In dieser Laborübung werden Messungen an einem Rohrbündelwärmeübertrager (Abb. 1, eine Detaildarstellung in Abb. 2) durchgeführt und ausgewertet. Das warme Wasser wird im Kreislaufgeführt. Im Vorheizer wird es zunächst mit Hilfe von kondensierendem Sattdampf aufgeheizt. Im zu untersuchenden Rohrbündelwärmeübertrager strömt das warme Wasser in den Rohren und erfährt eine zweifache Umlenkung, während das kalte Wasser die Glasrohre von außen im Mantelraum umströmt. Auf Grund der Anordnung der Ein- und Austrittsstutzen strömt das warme Wasser damit zweimal im Gegenstrom und einmal im Gleichstrom zum kalten Wasser. Auch die Strömung im Mantelraum wird durch mehrere Umlenkplatten beeinflusst. Dadurch wird ein größerer Anteil an Querströmung erzeugt.

Je nach Vorgabe des Betreuers wird der Massenstrom des kalten oder des warmen Wassers in mehreren Stufen verändert. Dabei wird eine mittlere Einstellung nach Abschluss der Variation wiederholt. Der zweite Wasserstrom und der Dampfstrom werden entsprechend den Vorgaben konstant gehalten. Gemessen werden die Eintritts- und Austrittstemperaturen des Kalt- und Warmwassers an dem betrachteten Wärmeübertrager (T_KE, T_KA, T_WE und T_Wa)  sowie Eintritts- und Austrittstemperatur aus dem Vorheizer und die Dampftemperatur mit Hilfe von Widerstandsthermometern. Die Wasservolumina des strömenden warmen und kalten Wassers misst man mit Wasseruhren und Stoppuhren, dadurch werden der jeweilige Volumenstrom und daraus der Massenstrom berechnet. Messen Sie über ausreichend lange Zeiten, um den Fehler möglichst geringzu halten. Der Mengenstrom Heizdampf wird durch die Erfassung der Kondensatmengen (Auffangen in einer Schale, Auswiegen) zu definierten Zeiten ermittelt. Tragen Sie dazu die Kondensatmengen über der Messzeit auf und berechnen Sie aus dem Anstieg der Geraden den Massenstrom.

Jede Messung pro Einstellung im Rotameter wird wiederholt und aus den Messwerten wird ein Mittelwert gebildet. Achten Sie auf das Erreichen eines stationären Zustandes! Sind die Differenzen zu groß, muss gegebenenfalls eine dritte Messung für die eingestellten Versuchsbedingungen vorgenommen werden.

Für die Untersuchung der Verweilzeit- bzw. Volumenstromvariation werden die Proben erst nach Erreichen unveränderlicher / stationärer Reaktionsbedingungen genommen, also etwa nach dem 3-bis 4-fachen der mittleren Verweilzeit. Hat die Probenahme nicht wie gewünscht funktioniert, kann sie problemlos wiederholt werden. Beachten Sie, dass die Probe außerhalb des Reaktors bis zum Abstoppen der Reaktion mit HCl weiterläuft. Hier muss die zusätzliche Reaktionszeit außerhalb des Reaktors gemessen (Stopp-Uhr!) und in die Berechnung eingebracht werden!

Ziel der Untersuchungen und Berechnungen ist es, für die in Abb. 1 gezeigte Versuchsanlage den Wärmedurchgangskoeffizienten k zu bestimmen. Für den Versuch wird ein mit Heizdampfbeheiztes, senkrecht positioniertes Doppelrohr als Verdampfer (Wärmeübertrager) verwendet. Im Innenrohr wird destilliertes Wasser verdampft, im Außenrohr kondensiert der Heizdampf. Das Verdampferrohr, durch das die Wärme übertragen wird, hat die Maße 33,7 mm x 1,60 mm x 970mm (da x s x h). Die Wärmeleitfähigkeit des Stahles beträgt 40 W/mK.

Für die Untersuchungen ist der Heizdampfdruck in vorgegebenen Stufen zu variieren. Der Volumenstrom der „Rohlösung“ ist am Rotameter so zu wählen, dass sich ein konstanter Flüssigkeitsfüllstand im Verdampferumlaufrohr einstellt. Nachdem sich ein stationärer Zustand im Verdampfer eingestellt hat, sind der Heizdampfdruck sowie die Dampfeintritts- und Kondensataustrittstemperaturen des Heizdampfes zu messen (Messstellen T1 und T2). Weiterhin sind die Temperaturen des Brüden (T3), des Kühlwasserstromes am Brüdenkondensator (T4, T5) und die Oberflächentemperatur des Verdampfers (T6, T7) zu messen. Außerdem sind die Temperaturen der Flüssigkeit im Vorratsbehälter (T8) sowie Rücklauftemperatur (T9) und Mischrohrtemperatur (T10) zu messen.

Absorption ist die Abtrennung einer (oder mehrerer) Gaskomponenten aus einem Gasgemisch mit
Hilfe einer Waschflüssigkeit. Ziel ist im Allgemeinen die Reinigung des Gasstromes von
unerwünschten Komponenten (Schadstoffe aus Abluft), daneben kann aber auch die
Wiedergewinnung der absorbierten Komponenten erwünscht sein (Kohlendioxid,
Lösungsmitteldämpfe). An Kenntnissen sind für eine Auslegung erforderlich

- das Löslichkeits- oder Phasengleichgewicht der Gaskomponente in der Waschflüssigkeit,
- die Bilanzierung der absorbierten Komponente im Gas- und Flüssigkeitsstrom,
- die Auftragung von Bilanz- und Gleichgewichtslinien im Beladungsdiagramm,
- die Berechnung der Kolonnenhöhe für eine Füllkörperschüttung aus NTU und HTU.

Am Beispiel der Reinigung lösungsmittelhaltiger Luft soll das Verständnis für die thermische
Grundoperation der Absorption vertieft werden. Zur Gaswäsche wird eine Füllkörperkolonne
verwendet. Die Stoffwerte, die zur Auswertung der Messergebnisse benötigt werden, sind auf einen
geeigneten Mittelwert aus den vier gemessenen Ein- und Ausgangstemperaturen zu beziehen. Die
Anlage arbeitet bei Umgebungsdruck.

Die unterschiedliche Zusammensetzung von Flüssigkeit und Dampf bei Gemischen aus zwei oder
mehr mischbaren Stoffen – die alle unterschiedliche Siedetemperaturen haben - ist die
Voraussetzung für eine Trennung dieser Gemische in die reinen Stoffe. Das verwendete
Trennverfahren ist die Destillation bzw. Rektifikation. Wichtigste Grundlage für eine Auslegung
solcher Trennprozesse ist die Kenntnis dieser unterschiedlichen Zusammensetzungen – die
Kenntnis des Phasengleichgewichtes.
Stehen Flüssigkeit und Dampf eines solchen Gemisches miteinander in Berührung, dann findet
zwischen ihnen ein Wärme- und Stoffaustausch statt, der schließlich zur Einstellung eines
Gleichgewichtes führt. Im Gleichgewicht besitzt das System definierte Werte der Zustandsvariablen
Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Gemischkomponenten in der Flüssigkeit und in der
Dampfphase. Das Gleichgewicht ist dann erreicht, wenn es keine Änderungen der genannten
Zustandsvariablen mehr gibt.

Rektifikation (mehrstufige Destillation) ist die Trennung von Flüssigkeitsgemischen unter Nutzung
des unterschiedlichen Siedeverhaltens der Einzelkomponenten. In der industriellen Praxis werden
zur destillativen Trennung Bodenkolonnen, Füllkörperkolonnen oder Packungskolonnen eingesetzt.
Für die Auslegung von Füllkörperkolonnen muss die Wirksamkeit der verschiedenen Füllkörper
bekannt sein, die durch den sog. HETP-Wert (height equivalent for one theoretical plate)
ausgedrückt werden kann. Es ist diejenige Schüttungshöhe, die der Dampf durchströmen muss, um
eine gleiche Anreicherung wie auf einem theoretischen Boden zu erreichen. In einer einfachen
Apparatur soll die Wirksamkeit verschiedener Füllkörper bzw. Kolonneneinbauten für die
Trennung eines Zweistoffgemisches untersucht werden. Für das vorgegebene Stoffsystem Ethanol /
Wasser erhalten Sie als Arbeitsmaterial das Phasengleichgewichtsdiagramm (analog zu Abb. 1).
Zur Vorbereitung auf den Versuch beschäftigen Sie sich bitte mit dem Verhalten azeotroper
Gemische und der Bilanzierung von Rektifikationsprozessen (Rücklaufverhältnis, theoretischer
Boden, Energiebilanz, ...).