Entwicklung einer Methodik zur Messung axialer und radialer Dispersionskoeffizienten in Mehrphasenapparaten mittels Volumenstrommodulation (VOLMOD)
Hintergrund:
Blasensäulen und Rieselbettreaktoren sind vielfach eingesetzt Kontaktapparate für die heterogene Katalyse, für Bioprozesse, für die Abgas- und Abwasserreinigung und vieles mehr. Der Einfluss der Hydrodynamik auf die darin ablaufenden Stoff- und Wärmetransportvorgänge ist sehr groß, jedoch schwer vollständig modellierbar, da die beteiligten Prozesse nichtlinear und skalenübergreifend sind. In solchen Kontaktoren ist der am weitesten verbreitete theoretische Ansatz zur Beschreibung der Gas- und Flüssigkeitsphasen das Axialdispersionsmodell. Eine erfolgreiche Implementierung dieses Modells erfordert die genaue Kenntnis des axialen Dispersionskoeffizienten sowohl der Flüssigkeits- als auch der Gasphase. Konventionelle Ansätze zur Bestimmung der axialen Dispersionskoeffizienten beruhen auf experimentellen Studien mit Tracer-Substanzen. Solche Methoden sind jedoch kaum universell einsetzbar, da sie schädliche Produktverunreinigungen oder Prozessausfälle verursachen und die physikalischen Eigenschaften des Systems verändern.
Zielstellung:
Das Projekt verfolgt das Ziel, die Methodik der Messung axialer Dispersionskoeffizienten mittels Volumenstrommodulation sowohl für Blasensäulen als auch für Rieselbettreaktoren weiterzuentwickeln und umfassend anzuwenden. Die vorgeschlagene Methodik ist vollständig nichtinvasiv und benötigt keine Tracersubstanz.
Methoden und Ergebnisse:
Anstelle einer Tracersubstanz wird bei Blasensäulen dem eintretenden Gasvolumenstrom eine kleine sinusförmige Modulation überlagert und diese als virtueller Tracer verwendet. Die Modulation verursacht eine zeitliche sinusförmige Variation des Gasanteils, die als Gasdichtewelle bezeichnet wird. Durch die Dispersion erfolgt entlang der Säule eine Dämpfung der Amplitude und eine Phasenverschiebung der Gasdichtewelle. Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung können gemessen und auf den Wert des axialen Dispersionskoeffizienten bezogen werden. Die sinusförmig aufgelöste Gammastrahlen-Densitometrie wird verwendet, um Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung zu messen.
Skizze des Funktionsprinzips und Versuchsaufbaus der Gasflussmodulation