Reaktive Blasensäulen

Die am Lehrstuhl vorhandene Messtechnik zur Bestimmung der dispersen Phase (Partikelgröße) wurde in den letzten Jahren kontinuierlich verbessert und angewendet. Die dazu in der AG Bart entwickelten optischen Messsonden ermöglichen eine (nicht-invasive) Analyse der lokalen Tropfengrößenverteilung im Auf- sowie im Durchlicht. Die entsprechende Auswertesoftware, die während eines Kooperationsprojekts mit dem Fraunhofer ITWM entwickelt wurde, zeichnet sich durch eine hohe Verarbeitungsrate der Bilder aus (10 Bilder/s), wobei der Fehler kleiner 2% bei Partikelanteilen bis zu 10% liegt. Durch die Kombination der Bildauswertesoftware mit Leitfähigkeitsmessungen und der inversen Populationsbilanz können Änderungen im System vorhergesagt werden. Ebenso kann diese Kombination zur Detektion von Systemänderungen (Verunreinigungen) verwendet werden.
Die Sondenmesstechnik wurde in Vorversuchen zur Ermittlung von Blasengrößen in unterschiedlichen Systemen (Gas-wässrig, Gas-organisch) angewendet. Die Durchlichtsonde ermöglicht hierbei eine Vermessung der Blasen unabhängig von der Schärfetiefe bei einem relativen Fehler von 2-5%. Die maximale Dispersphasenkonzentration liegt aktuell bei 25%. Erste Aufnahmen an Blasenschwärmen sind in Abbildung 6 gezeigt. Mit steigender Gasphasenbelastung steigt der Holdup und somit die Anzahl an Blasen in der Messzone an. Die Blasen werden als als sphärische Partikel detektiert, wobei unvollständige Kreise am Bildrand werden durch die Auswertesoftware gefiltert. Eine erste Erweiterung des Messsystems zur Berücksichtigung ellipsoider Blasen wurde auf Basis des Bildanalysetools ImageJ bewerkstelligt.

Der Stoffaustausch in Blasensäulen wird neben der Großraumströmung durch lokale Phänomene beeinflusst. Hierzu gehört u.a. die Interaktion von Einzelblasen wie Blasenkoaleszenz sowie Blasenrepulsion. Um letztere näher zu untersuchen, wurde am Lehrstuhl eine Einzelblasenmesszelle aufgebaut, die es ermöglicht, die lokalen Phänomene, wie Stofftransport im Ausflussbereich zwischen den Blasen, mittels Hochgeschwindigkeitskamera näher zu untersuchen.

Der Stofftransport an der Phasengrenzfläche und im Blasennachlauf wird neben der lokalen Hydrodynamik durch Blaseninteraktion (hydrodynamischer Stress) beeinflusst. Hierzu gehören unter anderem das Bouncing sowie die entstehende Blasendilatation und auch hydrodynamischer Stress bei Koaleszenz und Filmdrainage. Die am Lehrstuhl vorhandene Messzelle ermöglicht Untersuchungen an einer hängenden Blase sowie an frei aufsteigenden Blasen unter Aufwendung geringer Flüssigkeits- (<500 ml) und Gasmengen entsprechend der generierten Blasenanzahl unter inerten Bedingungen. Durch die Automatisierung der Testzelle wird eine hohe Reproduzierbarkeit der Messwerte erreicht.

Zur Unterstützung der experimentellen Untersuchungen sowie zur Auslegungsunterstützung werden numerische Simulationen von Einzelblasen und Blasenschwärmen bis hin zu komplexen Kolonnen durchgeführt.

Zur Beschreibung der Blasenschwärme (>10 Blasen) werden numerische Simulationen auf Basis der interpenetrierenden Kontinua durchgeführt. Die Blasengröße wird hierbei durch ein Eingruppenmodell sowie Mehrgruppenmodelle berücksichtigt. Eine Erweiterung des Mehrphasenmodells zur Berücksichtigung der Reaktion sowie des Temperatur- und pH-Einflusses wird verfolgt.

Zudem dienen Einzelblasensimulationen zur Aufklärung der Blaseninteraktion (Bouncing, Schwarmverhalten) sowie deren Einfluss auf die Reaktion. Hierbei zeichnen sich v.a. gitterfreie Methoden aus, da eine Berücksichtigung der Phasengrenzfläche direkt über die Informationsträger erfolgt.

Der Stoffaustausch zwischen den Blasen und dem umgebenden Medium wird durch das Gleichgewicht an der Phasengrenzfläche limitiert. Beispielhaft ist hierzu eine CFD Simulation der Absorption von O2 in Wasser dargestellt und mit experimentellen Daten von Cachaza et al. (2009) bei Vg=0,0024 m/s.