Entwicklung einer Methodik zur Messung axialer und radialer Dispersionskoeffizienten in Mehrphasenapparaten mittels Volumenstrommodulation (VOLMOD)
Hintergrund:
Blasensäulen sind vielfach eingesetzte 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 für Blasensäulen 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
Im Rahmen des Projektes wurde ein Verfahren für die Anwendung der Durchflussmodulation auf eine Vielzahl von Bedingungen entwickelt, einschließlich der Wahl der Versuchsparameter und der Quantifizierung der Unsicherheit. Die Durchflussmodulation wurde unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen und Säulenkonfigurationen getestet. Die durchgeführten Studien qualifizierten die Durchflussmodulation als zuverlässiges Verfahren zur Messung des axialen Gasverteilungskoeffizienten in Blasensäulen.
Publikationen:
Publikationen in Fachzeitschriften
S. Marchini, M. Schubert, U. Hampel
Analysis of the effect of uncertainties in hydrodynamic parameters on the accuracy of the gas flow modulation technique for bubble columns
Chemical Engineering Journal, Vol. 434 (2022): 133478
S. Marchini, A. Bieberle, E. Schleicher, M. Schubert, U. Hampel
Sensing strategies for determining the axial gas dispersion coefficient in bubble columns via gas flow modulation technique
Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 62, Issue 45 (2023): 19225-19237
S. Marchini, A. Bieberle, M. Schubert, U. Hampel
Uncertainty analysis of gamma-ray densitometry applied for gas flow modulation technique in bubble columns
Chemical Engineering Science, Vol. 282 (2023): 119214
S. Marchini, A. Bieberle, M. Schubert, U. Hampel
Guidance for Measuring the Axial Gas Dispersion Coefficient in Bubble Columns via Gas Flow Modulation
Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 62, Issue 46 (2023): 19936-19950
Konferenzbeiträge
S. Marchini, A. Döß, A. Bieberle, M. Schubert, U. Hampel
Investigations on axial gas dispersion coefficients in bubble columns using gas flow modulation
European Conference of Chemical Engineering (ECCE), 20.-24.09.2021, Online conference
S. Marchini, A. Bieberle, E. Schleicher, M. Schubert, U. Hampel
Bewertung verschiedener Messverfahren zur Ermittlung des axialen Dispersionskoeffizienten der Gasphase in Blasensäulen mittels Volumenstrommodulation
Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Mehrphasenströmungen, Mechanische Flüssigkeitsabtrennung sowie Zerkleinern und Klassieren, 21.-22.02.2022, Online conference
S. Marchini, A. Bieberle, M. Schubert, U. Hampel
Assessment of the flow modulation technique for measuring axial liquid dispersion coefficients in trickle-bed reactors
Conference on Gas-Liquid and Gas-Liquid-Solid Reactor Engineering, 07.-10.08.2022, Ottawa, Canada
S. Marchini, V. Caggia, A. Bieberle, M. Schubert, E. Brunazzi, U. Hampel
Analysis of sparger effects on axial gas dispersion in bubble columns
European Conference of Chemical Engineering, 17.-20.09.2023, Berlin, Germany
S. Marchini, A. Bieberle, M. Schubert, U. Hampel
Applicability of gas flow modulation technique for measuring axial gas dispersion coefficients in bubble columns
European Conference of Chemical Engineering, 17.-20.09.2023, Berlin, Germany