Mischungsstrukturen in Blasennachlaufströmungen hinter Einzelblasen und Blasenschwärmen und ihr Einfluss auf den Gas-Flüssigkeits-Stoffaustausch und chemische Reaktionen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Alexandra von Kameke; Professor Dr.-Ing. Michael Schlüter
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Bioverfahrenstechnik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517064495

Das Hauptziel dieses Antrags ist es Mischungsstrukturen in dem Nachlauf frei aufsteigender Einzelblasen und Blasen in Schwärmen zu detektieren und in kompakte Stoffübergangskorrelationen für die Verfahrenstechnik einzubeziehen. Auf diese Weise kann der Einfluss der Blasennachlaufströmung auf chemische Reaktionen leichter abgeschätzt werden. Die Kenntnis des detaillierten Stofftransports ist entscheidend für die Herstellung vieler im Alltag verwendeter Bulkchemikalien, die in Gas-Flüssig-Reaktionen wie Hydrierung, Oxidation oder Chlorierung synthetisiert werden. Darüber hinaus können die hohen Gaskonzentrationen in den Blasenströmungen auch potenziell schädlich für Mikroorganismen und Enzyme in begasten Reaktoren sein und zu einer Substrathemmung führen. Um vorherzusagen, wie viel Gas aus einer Blase in die umgebende Flüssigkeit übergeht, muss der Stoffübergangskoeffizient (oder die dimensionslose Sherwood-Zahl) bestimmt werden. Die heutigen Stoffübergangsmodelle (Sherwood-Korrelationen) basieren entweder auf der Zwei-Film-Theorie, der Penetrationstheorie oder der Theorie der Oberflächenerneuerung mit unterschiedlichen Parametern in Abhängigkeit von der relativen Geschwindigkeit der Blase zur umgebenden Flüssigkeit und den laminaren oder turbulenten Strömungsbedingungen in der Umgebung. Zudem gibt es Modelle, die den Einfluss von grenzflächenaktiven Substanze auf den Stofftransport berücksichtigen. Alle Theorien gehen jedoch davon aus, dass das Gas, sobald es in der flüssigen Phase gelöst ist, sofort vollständig durchmischt wird und dass alle Flüssigkeitspakete, die die Blasengrenzfläche passieren, nach dem Verlassen der Blasenoberfläche die gleichen Bedingungen im Blasennachlauf erfahren. Dieses Bild vernachlässigt die Auswirkungen einer heterogenen Konzentration in der Blasennachlaufströmung, die eine im Blasennachlauf stattfindende Reaktion, bei kleinen bis mittleren Hatta-Zahlen nach Levenspiel, wahrscheinlich beeinflussen wird. Bisher wurden die Details der Struktur der Durchmischung im Blasennachlauf für Stoffübergangskorrelationen nicht berücksichtigt. In diesem Forschungsvorhaben werden die Lagrange'schen kohärenten Strukturen (LCS) im Blasennachlauf von frei aufsteigenden 3D-Blasen und Blasenschwärmen in einer ruhenden Flüssigkeit durch Auswertung von 4D-PTV-Messungen mit Hilfe neu entwickelter mathematischer Werkzeuge aus der Theorie dynamischer Systeme analysiert. Zusätzlich wird eine quantitative Bewertung der Konzentration des gelösten Gases mittels zeitaufgelöster laserinduzierter Fluoreszenz (TRS-LIF) vorgenommen. Die LCS werden mit diesen Konzentrationsschleppen hinter der Blase verglichen, und beide Messungen dienen dann als Grundlage für die Entwicklung neuer Sherwood-Korrelationen, die die Auswirkungen kohärenter Strömungsstrukturen im Blasennachlauf einbeziehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen