Ortsaufgelöste experimentelle Analyse und Modellierung des Stoffübergangs an aufsteigenden Gasblasen bei überlagerter chemischen Reaktion und Schwarmturbulenz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jorg Thöming
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 256704298

Der Stoffübergang von einer gasförmigen, dispergierten Phase in die umgebende flüssige Phase ist insbesondere bei überlagerter chemischer Reaktion in vielen Bereichen der chemischen Industrie und Biotechnologie von großer Bedeutung. Allerdings ist die Auslegung von Gas-Flüssig-Reaktoren bislang nur durch begrenzt übertragbare empirische Korrelationen möglich, die auf integral gewonnenen Messdaten basieren. Allgemeingültigere Beschreibungen der Stofftransportleistung an Gasblasen auch unter überlagerten Reaktions- und Schwarmturbulenzbedingungen durch Bilanzierung setzen die Kenntnis dreidimensionaler Geschwindigkeits- und Konzentrationsfelder voraus.In der ersten Projektphase wurde zunächst die durch flexible Partikelgitter induzierte Schwarmturbulenz für bestimmte Blasenströmungen validiert. Darauf aufbauend wurde die Methodik zur Messung, Auswertung und Rekonstruktion dreidimensionaler Konzentrationsfelder in der Wirbelschleppe mittels laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) so weiterentwickelt, dass Messungen nun auch unter hydrodynamischen Schwarmbedingungen möglich sind. Die Analyse der dreidimensionalen Wirbelschleppenstrukturen, die auch bei den im untersuchten Stoffsystem vorliegenden schwachen Fluoreszenzsignalen rekonstruiert werden konnten, ergab beispielsweise im Falle einer zickzackförmig aufsteigenden Gasblase eine zugehörige Sherwood-Zahl von Sh = 470, die perfekt innerhalb des Erwartungsbereichs liegt. Damit ist die hier verwendete optische Methode bereits ohne die für höhere Präzision erforderliche Messung der Geschwindigkeitsfelder durch Particle Image Velocimetry (PIV) zur Validierung numerischer Stofftransport-Modelle gut geeignet. In der zweiten Förderphase soll der Einfluss einer überlagerten Reaktion auf den Stofftransport in der Wirbelschleppe einer Blase ebenso untersucht werden wie umgekehrt der Einfluss der Wechselwirkungen von Reaktion und Stofftransport auf die Selektivität des jeweiligen Reaktionssystems. Zum einen erfolgen unter hydrodynamischen Schwarmbedingungen PIV/LIF-Messungen mit dem SPP-Reaktionssystem Fe-NO, zum andern werden unter Strömungsbedingungen mit reduzierter Komplexität (Taylor-Strömung) Messungen mittels Nuclear Magnetic Resonance (NMR) durchgeführt. Dazu wird das Leitexperiment Taylorströmung des SPP auf diese NMR-Methode angepasst und zur Messung von Konzentrations- und Geschwindigkeitsverteilungen paralleler und konsekutiver Reaktionsschritte der SPP-Reaktionssysteme Fe-NO und Cu-O2 in Taylorströmungen genutzt.Ferner sollen Analogien und Unterschiede der Vorgänge im Blasennachlauf von Einzelblasen in laminaren Taylorströmungen und unter turbulenten Blasenschwarm-Bedingungen herausgearbeitet werden. Diese Analyse soll - in Kooperation mit den beteiligten chemischen, experimentellen und numerischen Arbeitsgruppen des SPP - in eine phänomenologische Modellierung des Stoffübergangs in Gas-Flüssig-Reaktoren münden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1740: Einfluss lokaler Transportprozesse auf chemische Reaktionen in Blasenströmungen
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Wolfgang Dreher