Stereoskopische Untersuchungen von Flüssigkeitsfilmströmungen auf Platten mit Oberflächenstrukturierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsprojektes ist die detaillierte Analyse des Einflusses von strukturierten Oberflächen auf Flüssigkeitsfilmströmungen. Im Rahmen von Downstream Processing in der chemischen Industrie werden eine große Anzahl der fluiden Trennaufgaben durch Rektifikations- und Absorptionsprozesse gelöst. Dabei strömt die Flüssigkeit vom Kopf der Kolonne gravitationsgetrieben in den Sumpf und das Gas druckgetrieben zu der Flüssigkeit im Gegenstrom. Die gezielte Strömungsführung durch die Anpassung der geometrischen Beschaffenheit der Packungselemente hat einen entscheidenden Einfluss auf die Intensivierung des Stoffübergangs zwischen Gas- und Flüssigphase. Aufgrund der hohen Kapazität und des gleichzeitig geringen Druckverlustes werden verstärkt strukturierte Packungen verwendet. Diese werden mit Oberflächenstrukturen versehen, welche den Stoffaustausch im Apparat erhöhen. Bekannt ist, dass Oberflächenstrukturen die Benetzung der Oberfläche unterstützen. Weitere Einflüsse, wie das Induzieren von Wirbeln oder ein Queraustausch im Flüssigkeitsfilm, wurden bisher kaum untersucht, obwohl hier der Hauptgrund für die Stofftransportsteigerung im Vergleich zu glatten Oberflächen vermutet wird. Die detaillierte Analyse des Einflusses von strukturierten Oberflächen auf Flüssigkeitsfilmströmungen hat das Potential einen Beitrag zu einer Verbesserung von Vorhersagemodellen und optimierten Packungsstrukturen zu leisten. Das Projektziel ist daher die Ermittlung des dreidimensionalen Geschwindigkeitsfelds des Flüssigkeitsfilms auf strukturierten Oberflächen. Dieses anspruchsvolle Ziel konnte erreicht werden. Mit Hilfe einer im Projekt angepassten Stereo-PIV Messtechnik soll der Flüssigkeitsfilm auf transparenten Platten mit zwei- bzw. dreidimensionalen Strukturen unter Berücksichtigung eines Gasgegenstroms analysiert werden. Zur Reduzierung der Messfehler erfolgt der optische Zugang für die Messung von der Plattenrückseite. Die Arbeiten erfolgen vorerst an geneigten Platten, wobei im Verlauf des gesamten Projektes auch Packungskanäle betrachtet werden. Die erzielten Ergebnisse werden entscheidend zum grundlegenden Verständnis des Stoffübergangs auf strukturierten Oberflächen beitragen und die Basis für die Entwicklung von optimierten Strukturen erweitern. Um das dreidimensionale Strömungsfeld bestimmen zu können wurde ein Messsystem basierend auf der Stereo-PIV für dünne Flüssigkeitsströmungen erfolgreich adaptiert bzw. weiterentwickelt. Dabei wird das Geschwindigkeitsfeld im Flüssigkeitsfilm durch die Beobachtung von Verschiebungen von in der Strömung suspendierten Partikeln bestimmt. Mit der eigens angepassten Messtechnik konnte über die Messung dreidimensionaler Geschwindigkeitsfelder direkt der Einfluss der Mikrostruktur auf den Austausch im Flüssigkeitsfilm, sowohl für die geneigte Platte, als auch für makrostrukturierte Geometrien aufgezeigt werden. Die Parameter der Messungen wurden durch industriell relevante Flüssigkeits- und Gasbelastungen festgelegt. Bei den untersuchten Geometrien wurde sich an bisher praktisch eingesetzten grundsätzlichen Strukturen orientiert. Durch den Nachweis der Wechselwirkung der Mikrostrukturen mit der Filmströmung und die Erfassung des Makrostruktureinflusses, konnten die Projektziele erfolgreich erreicht werden. Mit dem im Projekt entwickelten Versuchsstand und Messsystem wurde eine experimentelle Basis zur Untersuchung der lokalen dreidimensionalen Fluiddynamik von dünnen Flüssigkeitsfilmströmungen auf strukturierten Oberflächen geschaffen. In weiterführenden Untersuchungen sollte das entwickelte Stereo-PIV mit einer planaren LIF für die simultane quantitative Erfassung des lokalen Konzentrationsfeldes gekoppelt werden, um direkt den Zusammenhang zwischen der Fluiddynamik und dem Stofftransport im Flüssigkeitsfilm experimentell aufzeigen zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2019) Experimental investigations of the fluid dynamics in liquid falling films over structured packing geometry. Chemical Engineering Research and Design 147 634–643
Gerke, Sören J.; Repke, Jens-Uwe
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2014, Experimental investigation of the three dimensional velocity field of falling liquid film flow on an inclined surface and micro structures, 10th International Conference on Distillation and Absorption 2014, 14.-17. September 2014, Friedrichshafen, Germany
Marek A., Repke, J.-U.
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2014, Experimental investigation of the three dimensional velocity field of falling liquid film flow on an inclined surface and micro structures, 10th International Conference on Distillation and Absorption, 14.-17. September 2014, Friedrichshafen, Germany
Marek, A. und Repke, J.-U.
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2014, Influence of three dimensional corrugations on the velocity field of falling liquid film flow on inclined surfaces, CHISA 2014, Prague, 23.-27. August 2014, ISBN 978-80-02-02555-9
Marek, A., Repke, J.-U.
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2017, Untersuchung des Einflusses von Mikrostrukturen auf die Fluiddynamik von Flüssigkeitsfilmströmungen auf Packungsoberflächen mithilfe von Stereo-μPIV, 25. Fachtagung Experimentelle Strömungsmechanik, 5.-7. September 2017, Karlsruhe, Germany, ISBN 978-3-9816764-3-3
Gerke, S. J., Marek, A., Repke, J.-U.
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2018, Experimental Investigation of Local Film Thickness and Velocity Distribution Inside Falling Liquid Films on Corrugated Structured Packings, 11th International Conference on Distillation and Absorption 2018, 16.-19. September 2018, Florence, Italy, ISBN 978-88-95608-66-2
Gerke, S. J., Leuner, H., Repke, J.-U.
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2018, Experimentelle Untersuchung von Flüssigkeitsfilmströmungen auf horizontalen makrostrukturierten Packungsblechen mit Stereo-PIV, 26. Fachtagung Experimentelle Strömungsmechanik, GALA2018, 4.-6. September 2018, Rostock, Germany, ISBN 978-3-9816764-5-7
Gerke, S. J., Repke, J.-U.
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2018, Experimentelle Untersuchungen von Flüssigkeitsfilmströmungen im glatten und mikrostrukturierten Packungskanal, ProcessNet-Jahrestagung und 33. DECHEMA- Jahrestagung der Biotechnologen 2018, 10.-13. September 2018, Aachen, Germany
Gerke, S. J., Repke, J.-U.
