DFG Schwerpunktpro­gramm SPP1740: Einfluss lokaler Transportpro­zesse auf chemische Reaktionen in Blasenströmun­gen

Teilprojekt:

Untersuchung der Hydrodynamik und des Stofftransportes in Blasenschwärmen mittels ultraschneller Röntgentomografie und lokaler Sonden

Hintergrund:

In Blasensäulenapparaten der chemischen Industrie laufen reaktive Prozesse in einem gasdispersen Zweiphasensystem ab. In solchen Systemen besteht eine komplexe Kopplung von Hydrodynamik, Stofftransport und Reaktion, die letztendlich den Reaktionsablauf und damit die Ausbeute und Selektivität der chemischen Prozesse bestimmt. Einfache Reaktormodelle sind üblicherweise nicht in der Lage, diese vollständig zu modellieren. Lokale hydrodynamische Parameter, wie Gasgehalt, Blasengrößenverteilung und blaseninduzierte Turbulenz gewinnen besonders in Systemen mit hoher Gasblasendichte an Bedeutung. Vor allem der Einfluss der blaseninduzierten Turbulenz auf die Struktur von Blasenschwärmen, der daraus resultierende Stofftransport in die Flüssigphase und die sich daraus mit dem Reaktionsablauf ergebende Spezieskonzentrationsverteilungen sind bisher vor allem aufgrund fehlender Messtechnik wenig untersucht. 

Zielstellung:

Ziel dieses Projektes ist zunächst die experimentelle Untersuchung der Hydrodynamik in Blasenströmungen mit Gasgehalten von >10%. Mit Hilfe der ultraschnellen Röntgentomographie wird dabei die Strömungsstruktur und Blasenschwarmdynamik untersucht. Im Weiteren wird der Einfluss der Blasendynamik auf den Stofftransport und die Speziesverteilung in der Flüssigphase untersucht. Dazu werden unter Einsatz verschiedener Messtechniken lokale und querschnittsaufgelöste Spezieskonzentrationen bestimmt.

Methoden und Ergebnisse:

Aus Daten der ultraschnellen Röntgentomographie werden Parameter der Gasphasen-Hydrodynamik wie Gasgehalt, Blasengröße und Informationen über die Struktur der Strömung in Blasenschwärmen gewonnen. Für die Bestimmung von stofftransportrelevanten Daten wurde für das Modellsystem CO₂/NaOH der Gittersensor als Messverfahren qualifiziert. Hierdurch können die lokalen Konzentrationen ionischer Spezies visualisiert (siehe Abbildung) und Verbrauchsraten der OH^- - Spezies quantitativ bestimmt werden.

© HZDR

In der zweiten Förderperiode wird ein von den Projektpartnern der LMU München charakterisiertes Modellsystem genutzt. Hierbei reagiert eine Fe^II(Ligand)-Lösung mit Stickstoffmonoxid zu einem Nitrosyleisen-Komplex, welcher gegenüber dem NO-freien Komplex eine charakteristische Absorptionsbande im UV/VIS-Bereich aufweist. Daher wird in diesem Teilvorhaben die lokale Spezieskonzentration des Nitrosyleisen-Komplexes im Nachlauf von Einzelblasen bzw. Blasenschwärmen mittels minimalinvasiver UV/VIS-Sonde bestimmt. Basierend auf den erhaltenen Messdaten werden die Vermischungscharakteristiken im Nachlauf der Blasen und innerhalb des Blasenschwarms bei verschiedenen hydrodynamischen Bedingungen analysiert.

Publikationen:

R. Kipping , E. Schleicher, H. Kryk, U. Hampel
Characterization of a chemical reaction in a bubble column using Wire-Mesh Sensor and ultrafast X-ray CT
Proceedings 8th World Congress on Industrial Process Tomography (WCIPT8), 24.-26.09.2016, Brazil

R.Kipping, H. Kryk, E. Schleicher, M. Gustke, U. Hampel
Application of a Wire-Mesh Sensor for the Study of Chemical Species Conversion in a Bubble Column
Chem. Eng. Technol., 40 (2017): 1425–1433. doi:10.1002/ceat.201700005

R.Kipping, H. Kryk, U. Hampel
Experimental analysis of the gas phase dynamics in a lab scale bubble column operated with deionized water and NaOH solution under uniform bubbly flow conditions
Chem. Eng. Sci, 229 (2021): 116056. doi: 10.1016/j.ces.2020.116065