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Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

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Academic year: 2021

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(1)

TU Graz I Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology Heidelberg, 16.03.2015Fachtagung Extraktion,

1

E. Cvetkovic

1

, A. Pfennig

2

1

Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology

NAWI Graz, TU Graz

2

Département de Chimie Appliquée

Université de Liège

Stofftransport an Einzeltropfen mit

Konzentrationsprofil in der

kontinuierlichen Phase

Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

Outline

 Single-drop measurements

 Standard sedimentation and

mass-transfer cells

 Cell with concentration profile

 Experimental setup

 Results

(2)

TU Graz I Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology Heidelberg, 16.03.2015Fachtagung Extraktion,

3

Single-drop measurements

Sedimentation

Mass Transfer

Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

Single-drop sedimentation

rigid sphere

circulating

drop

oscillating drop

deformed drop

0

2

4

6

0

20

40

60

80

100

120

140

s

e

dim

ent

at

ion v

e

loc

it

y

[

m

m/

s

]

drop size [mm]

(3)

TU Graz I Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology Heidelberg, 16.03.2015Fachtagung Extraktion,

5

Modelling of mass transfer

20

40

60

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0

1

2

3

4

5

6

(y

-

y

*)

/

(y

0

y

*)

dr

op

d

ia

m

et

er

in

m

m

time in

s





c

d

IP

d

eff

d

C

d

v

D

D

1

,

Henschke, Pfennig, AIChE J, 45, 10: 2079-2086, 2010

Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

Concentration profile

Measurement cell vs. extraction column

height

concentration

concentration

height

phase:

continuous

dispers

phase:

continuous

dispers

(4)

TU Graz I Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology Heidelberg, 16.03.2015Fachtagung Extraktion,

7

Single-drop cell with concentration profile

Material system:

butylacetate +

water +

acetone

8%

6%

4%

2%

Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

Validation – Sedimentation

0

2

4

6

0

20

40

60

80

100

120

140

butylacetate-droplets in water:

without dye (this work)

with dye (this work)

reference (Henschke, 2003)

s

e

d

im

ent

ati

on v

e

lo

c

it

y

[m

m

/s

]

drop size [mm]

(5)

TU Graz I Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology Heidelberg, 16.03.2015Fachtagung Extraktion,

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Reproducibility

Concentration profile

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0

10

20

30

40

50

60

70

measurement 1

measurement 2

height

[m

m

]

Acetone concentration (wt-%)

Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

Experimental conditions

Material system

butylacetate + water + acetone

Concentration gradient

linear

declining

increasing

drop diameter

2.88 mm

3.22 mm

4.06 mm

start concentration in  

continuous phase

0%

> 0%

start concentration in 

dispers phase

0%

0% ‐ cont.

> cont.

(6)

TU Graz I Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology Heidelberg, 16.03.2015Fachtagung Extraktion,

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Linear profile: different diameters

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

dispers phase

2.88 mm

3.22 mm

4.06 mm

continuouse phase

linear profile

he

ig

ht (cm)

Acetone concentration (wt-%)

Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

Linear profile: different starting conditions

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

continuous phase

dispers phase

hei

ght (cm)

Acetone concentration (wt-%)

(7)

TU Graz I Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology Heidelberg, 16.03.2015Fachtagung Extraktion,

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Linear profile: different starting conditions

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

continuous phase

dispers phase

hei

ght (cm)

Acetone concentration (wt-%)

Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

Modelling

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

relevant gradient

to determine

d

con

c

en

tr

a

tion

in dro

p

le

t

y = f(r

/R)

dy*/dt = const

concentration profile

y* = const

constant concentration

y*

dimensionless drop radius r/R

y

(8)

TU Graz I Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology Heidelberg, 16.03.2015Fachtagung Extraktion,

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Modelling

,

4 ∙

,

,

∙ 1

y* = k x

∙ ∙ ∆c

0

Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

Modelling

Constant concentration:

4

4 ∙

9

Concentration Profile:

16

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

relevanter Gradient zur

Bestimmung von 

d

conc

entrati

on in dr

op

le

t y

=

f(r/

R

)

dy*/dt = const

concentration profile

y* = const

constant concentration

y*

dimensionless drop radius r/R

(9)

TU Graz I Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology Heidelberg, 16.03.2015Fachtagung Extraktion,

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Linear profile: different starting conditions

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

continuous phase

dispers phase

he

ig

ht

(

c

m

)

Acetone concentration (wt-%)

Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

Linear profile: different starting conditions

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

continuous phase

dispers phase

model constant concentration

model concentration profile

he

ig

ht

(cm

)

Acetone concentration (wt-%)

(10)

TU Graz I Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology Heidelberg, 16.03.2015Fachtagung Extraktion,

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Linear profile: different starting conditions

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

continuous phase

dispers phase

model constant concentration

model concentration profile

he

ig

ht

(cm

)

Acetone concentration (wt-%)

Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

Linear profile: different diameters

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

continuous phase

dispers phase (measured and model):

d = 2.88 mm

d = 3.22 mm

d = 4.06 mm

he

ight

(cm)

Acetone concentration (wt-%)

(11)

TU Graz I Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology Heidelberg, 16.03.2015Fachtagung Extraktion,

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Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

 Aufbau einer Messzelle zur Messung von Stofftransport mit

Konzentrationsgradienten in der kont. Phase

 Validierung der Messungen

 Gute Übereinstimmung mit Modellierung für längere Zeiten

 Schlechte Übereinstimmung für kurze Zeiten

Ausblick

 Weiterführende Messungen

 Optimierung des bestehenden Modells vor allem für kurze Zeiten

Stofftransport an Einzeltropfen mit Konzentrationsprofil in der kontinuierlichen Phase

E. Cvetkovic

1

, A. Pfennig

2

1

Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology

NAWI Graz, TU Graz

eva.cvetkovic@tugraz.at

2

Département de Chimie Appliquée

Université de Liège

Stofftransport an Einzeltropfen mit

Konzentrationsprofil in der

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