Coalescence efficiency in binary systems
Final Report Abstract
Im Rahmen dieser Forschungsvorhaben wurden grundlegende Untersuchungen zum Koaleszenzverhalten in flüssig-flüssig Systemen geplant, durchgeführt und bewertet. Die Ergebnisse wurden mit in der Literatur verfügbaren experimentellen Daten und Modellen zur Berechnung der Koaleszenzzeit und -wahrscheinlichkeit verglichen. Eine Weiter- bzw. Neuentwicklung solcher Modelle wurde auf Basis der eigenen Untersuchungen durchgeführt. Die aktuell verfügbaren Modelle prognostizieren teilweise sogar gegenläufige Trends für die Koaleszenzwahrscheinlichkeit bezogen auf einzelne Einflussfaktoren, wie zum Beispiel das Tropfengrößenverhältnis. Dies hängt zum Teil von unklar definierten oder schwer nachvollziehbaren experimentellen Methoden ab. Im Rahmen dieses Projekts wurden standortübergreifende Methoden entwickelt, welche den Einfluss des experimentellen Versuchsaufbaus minimieren. Dennoch ist aufgrund der enormen Sensibilität der Koaleszenz gegenüber kleinsten Änderungen des Systems auch weiterhin ein hoher experimenteller Aufwand erforderlich, um die nötige Genauigkeit der Ergebnisse abzusichern. Die etablierten Methoden zur Sicherstellung konstanter Untersuchungsbedingungen (Reinheit, Kollisionsbedingungen) haben sich standortübergreifend bewährt. Hydrodynamische Untersuchungen zum Einfluss der Tropfengröße oder der Kollisionsgeschwindigkeit konnten unabhängig voneinander quantifiziert werden. Für die untersuchten Tropfengrößen (1 bis 3 mm) konnte eine Zunahme der Koaleszenzwahrscheinlichkeit festgestellt werden. In den Untersuchungen mit zunehmendem Aufstiegsweg und entsprechend höherer Kollisionsgeschwindigkeit wurde eine kritische Geschwindigkeit festgestellt oberhalb derer keinerlei Koaleszenz mehr auftrat. Mit der Zugabe von Ionen in das System änderte sich das Koaleszenzverhalten in fast allen Fällen signifikant. Es wurde eine deutliche Reduzierung der Koaleszenz bis hin zur vollständigen Hemmung beobachtet. Durch die Entkopplung einzelner Faktoren auf experimenteller Ebene ist eine spezifische Weiterentwicklung vorhandener Modelle möglich. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde eine Modellanpassung für unterschiedliche Tropfengrößenverhältnisse bei einer konstanten Kollisionsgeschwindigkeit durchgeführt. Nur wenige der bekannten Modelle berücksichtigen den Einfluss von Ionen. Daher wurde entsprechend der oben beschriebenen Herangehensweise auch der Einfluss von Ionen implementiert. Ein separater Term beschreibt den Einfluss der im System vorliegenden Ionenart und -konzentration. Aufgrund der Resultate der Einzeltropfenuntersuchungen wurde bei der Messung der Tropfengrößenverteilung in einer gerührten Extraktionskolonne (DN 150 Kühni) eine signifikante Verringerung des Sauterdurchmessers erwartet. Die gemessenen Tropfengrößenverteilungen haben diesen Trend nicht eindeutig bestätigen können. Im DN 150 Rührkessel wurde teilweise die erwartete Verringerung der Koaleszenz unter Ioneneinfluss nachgewiesen.
Publications
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(2014), „Systematic analysis of single droplet coalescence”, Chem. Eng. & Technol. 37, 7, p. 1103-1111
J. Villwock, F. Gebauer, J. Kamp, H.-J. Bart, M. Kraume
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(2015), „CFD aided investigation of single droplet coalescence“, Chin. J. Chem. Eng. 24, 2, p. 249-252
F. Gebauer, M. W. Hlawitschka, H.-J. Bart
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(2016), „Binary droplet interactions and coalescence – Superposition of hydrodynamics and ionic effects”, Proc. of International Conference on Multiphase Flow 2016, p. 766-771, Fierenze, Italy. CD
F. Gebauer, J. Villwock, M. Kraume, H.-J. Bart
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(2016), „Detailed analysis of single drop coalescence - Influence of ions on film drainage and coalescence time”, Chem. Eng. Re. Des. 115, Part B, p. 282-291
F. Gebauer, J. Villwock, M. Kraume, H.-J. Bart
