Strömungsdynamik und Stofftransport in einem Strahl-Kolonnenflotationsapparat zur Abtrennung oberflächenaktiver Substanzen aus wässrigen Stoffströmen

Abstract

Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung eines Strahl-Kolonnenflotationsapparates, der zur Reinigung und Konditionierung von Prozesswasser eingesetzt wird. Um den Einfluss der Strömungsdynamik auf den Stofftransport von oberflächenaktiven Substanzen (OAS) an die Phasengrenzfläche besser zu verstehen, wurden einzelne Bereiche des Apparates bezüglich der funktionalen Zusammenhänge zwischen den einzelnen Betriebsparametern näher untersucht. In einem ersten Schritt wurde die Strömungsdynamik in einem exemplarischen FSA mit Finite-Pointset-Method (FPM), einem punktbasierten Strömungssimulations-CFD-Programm, simuliert, um die Ausbreitung des Treibstrahles in der Mischkammer und dort auftretende lokale Strömungszonen zu visualisieren. Basierend auf den Simulationsergebnisse wurden fünf Treibdüsengeometrien gefertigt und für die Untersuchung der Blasenströmung im Flotationsbehälter hinzugezogen. Diese Treibdüsen wurden in ein handelsübliches Strahlapparatgehäuse eingesetzt, um zusätzlich zur Treibdüsengeometrie den Einfluss des Treibdruckes und von koaleszenzverändernden Substanzen auf die erzeugte Blasenströmung zu untersuchen. Durch Variation der Konzentration von sieben unterschiedlichen Salzen mit charakteristischen Ionenkombinationen und Fokus auf Natriumchlorid, wurde das Koaleszenzverhalten der Blasenströmung in einem Konzentrationsbereich zwischen 0 und 30 g/l unter Messung von Blasengröße und Gasanteil erfasst. Durch Definition einer Blasenaufstiegsfunktion, die den funktionalen Zusammenhang zwischen mittlerer Blasenaufstiegsgeschwindigkeit und Sauterdurchmesser in der Blasenströmung beschreibt, kann für die einzelnen Betriebszustände die Flussdichte der Phasengrenzfläche Sb approximiert werden, die als Schlüsselparameter zur Bestimmung der Flotationsrate gilt.Aufgrund der Inhibierung von Koaleszenz in der Blasenströmung fällt für kosmotrophe Salze die Blasengröße mit steigender Salzkonzentration entlang einer Exponential-Funktion. Hierdurch steigt der Gasanteil in dem Flotationsbehälter entlang einer Sigmoid-Funktion an und die Flussdichte der Phasengrenzfläche nimmt zu. Mit Sodium-Dodecyl-Sulfat (SDS) als oberflächenaktiver Modellsubstanz wurde dessen Abreicherung anhand von Batch-Versuchen unter Variation der Gasleerrohrgeschwindigkeit, der SDS-Konzentration und der NaCl-Konzentration mit einem hierfür entwickelten Gasanteilsensor messtechnisch erfasst. Aus den Messdaten wurde die Konzentrationsabnahme in Abhängigkeit der Flotationszeit berechnet und in Bezug zur Flussdichte der Phasengrenzfläche gesetzt. Die Ergebnisse wurden zur Erstellung eines Berechnungsprogramms genutzt, welches den Stofftransport an die Phasengrenzfläche durch eine flächenbezogene Anlagerungsfunktion berechnet. Diese ist entweder in ein Differentialgleichungssystem eingebettet oder wird in einer Berechnungsschleife mit thermodynamisch begründeter Adsorptionsisotherme genutzt. Damit kann der Einfluss von Gasleerrohrgeschwindigkeit und Flussdichte der Phasengrenzfläche auf die Flotation gezeigt und der Bezug zu der Abreicherung von OAS und den hierbei auftretenden Stofftransport hergestellt werden.