Mehrskalige Untersuchungen reaktiver Blasenströmungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Mark Werner Hlawitschka
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 256646572

Blasensäulen werden in der chemischen, petrochemischen, biochemischen und Metallindustrie eingesetzt. Insbesondere bei reaktiven Blasensäulen wird deren Effizienz durch die vorherrschende lokale Hydrodynamik mitbestimmt. Zur Steigerung der Ausbeute und Selektivität ist daher ein besseres Verständnis der lokalen Hydrodynamik in Blasensäulen erforderlich, wie sie die State-of-the-Art Auslegung basierend auf integralen Methoden zur liefern kann. Trotz der vielversprechenden Beschreibung der lokalen Hydrodynamik mittels CFD bleiben einige offene Fragestellungen, die zur prädiktiven Beschreibung von reaktiven Blasensäulen gelöst werden müssen: 1. Einfluss der Blaseninteraktion (z. B. Bouncing). 2. Einfluss der Blasengrößenverteilung auf Hydrodynamik (mono-, polydispers). 3.egenseitige Wechselwirkung von Reaktion und Hydrodynamik (blaseninduzierte Turbulenz). Die Einzelphänomene wurden in der Vergangenheit meist experimentell und numerisch voneinander isoliert untersucht, wobei eine Interaktion unberücksichtigt blieb. Im beantragten Forschungsprojekt wird daher ein neuer mehrskaliger experimenteller sowie numerischer Ansatz für reaktive Blasensäulen verfolgt, wobei initial bekannte Testsysteme gefolgt von industrierelevanten (organischen) Leitsystemen aus dem SPP zum Einsatz kommen. In einem ersten Schritt werden Experimente zur Blaseninteraktion in einer Messzelle (<500µl) durchgeführt, welche den Einfluss der Hydrodynamik auf die Stofftransportmechanismen und der chemischen Reaktion mit hoher Orts- und Zeitauflösung (Bouncing, Filmdrainage) aufdecken. Im weiteren ermöglicht eine Venturizelle einen monodispersen Blasenschwarm durch einen Gegenstrom in einem Messvolumen zu fixieren und somit deren Interaktion (Blasenbewegung und Reaktion) isoliert zu betrachten. Final kann in einer 2D Blasensäule, die sich ähnlich einer realen zylindrischen Säule verhält, der lokale Hydrodynamikeinfluss auf die Reaktion untersucht werden, wobei die lokale Blasengröße mittels optischer Messsonden bestimmt wird. Die Hydrodynamik und lokalen Turbulenzen werden mittels der vorhandenen Lasermesstechnik (PIV, LIF, PDA) untersucht. Blaseninteraktionssimulationen mit Reaktion werden basierend auf der gitterfreien Finite Pointset Method (FPM) durchgeführt. Durch Variation der Randbedingungen entsprechend der Experimente erfolgt eine lokale Aufklärung der Reaktion in der Grenzschicht. Die Modellierung der 2D Blasensäule erfolgt auf Basis des Euler-Euler Modells. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen soll ein Turbulenzmodell selektiert und optimiert werden. Die Berücksichtigung der von der Temperatur und vom pH-Wert abhängigen Reaktion ermöglicht eine detaillierte Analyse und Beschreibung reaktiver Blasensäulen. Die Projektergebnisse sind von grundlegender Bedeutsamkeit für eine geometrieunabhängige Auslegung von reaktiven Blasensäulen. Die numerische Auslegung wird somit die Effizienz der Kolonnen erhöhen und die kostenintensiven Pilotplant Experimente minimieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1740: Einfluss lokaler Transportprozesse auf chemische Reaktionen in Blasenströmungen
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bart