Experimentelle Charakterisierung des gas-flüssig Stofftransfers in einer reaktiven Blasensäule am Beispiel einer Neutralisationsreaktion
Zur quantitativen Untersuchung des Stofftransfers in einer Blasensäule soll in der ersten Projektphase, als Grenzfall für eine schnelle Reaktion, der Übergang von CO2 in leicht basisches Wasser, also eine Neutralisations-/Ansäuerungsreaktion, betrachtet werden. Dieses einfache System bietet sich an, um das komplexe experimentelle Messprotokoll zu optimieren und außerdem, um bereits vor Ende der ersten Phase erste Validierungsdaten zu liefern und Vergleiche mit den numerischen Projekten im SPP zu ermöglichen. Die im Experiment erfolgende pH-Wert-Änderung wird mit Hilfe von Indikatorstoffen (z.B. Uranin) und Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) sowohl räumlich, als auch zeitlich aufgelöst vermessen. Mit Hilfe einer Kalibrierung und den bekannten Eingangs- und Ausgangsströmen der Gasphase können somit sofort quantitative Rückschlüsse auf den Stoffübergang erhalten werden. Um eine Verschattung des Messvolumens, ebenso wie Reflexionen und Brechung des Laserlichts durch die Blasen zu berücksichtigen, wird ein zweiter, pH-unabhängiger Tracer eingesetzt, der es erlaubt die eigentlichen Messbilder zu korrigieren (2-Farben-Verfahren). Das Messverfahren wird zunächst für Blasenketten und dann für kleine Blasenkollektive in verschiedenen Volumenströmen und Blasendurchmessern eingesetzt. Nach Optimierung des Messverfahrens wird letztendlich ein typischer Blasenschwarm untersucht. Durch Verwendung von Hochgeschwindigkeitskameras kann der zeitliche Verlauf sowohl der Blasen-durchmesser und -trajektorien, als auch des Stoffübergangs aufgelöst werden. Für die Bestimmung der Blasengeschwindigkeiten und -bahnlinien wird die Particle Tracking Velocimetry (PTV) eingesetzt, für die viel Erfahrung in der Gruppe vorliegt. Die Geschwindigkeitsfelder der flüssigen Phase werden mit Particle Imaging Velocimetry (PIV) verfolgt. Diese kann, als stereo-PIV einge-setzt, auch die Flüssigkeitsbewegung in drei Richtungen auflösen. Auf diese Weise können dann der Einfluss des Strömungsfeldes auf den Stoffübergang quantifiziert und auch Vergleichsdaten für numerische Projekte des SPP zur Verfügung gestellt werden. Da die Stoffdaten der Flüssigphase ebenfalls eine sehr große Rolle für den erfolgenden Stoffübergang spielen, sollen im Rahmen des Projekts auch die Viskosität und Oberflächenspannung verändert werden. Hierzu sollen verschiedene Glyzerin/Wasser-Mischungen zum Einsatz kommen, deren Viskositäten und Oberflächenspannungen bekannt sind. Auch hierbei sollen wiederum der Stofftransport und die Hydrodynamik simultan erfasst werden. Alle experimentellen Ergebnisse werden von Beginn an in einer Datenbank den anderen Projekten und der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Sie können somit als Validierungs- und Vergleichsdaten für numerische Berechnungen herangezogen werden.
Otto-von-Guericke-Universität Magedeburg Lehrstuhl Strömungsmechanik und Strömungstechnik
Experimental characterization of gas-liquid transport processes in a reacting bubble column using a neutralization reaction
The transport of CO2 from the gas phase (bubbles) into a slightly basic watery phase is used to investigate in a quantitative manner mass transfer in a bubble column, first considering the limit case of a fast neutralization reaction. This simple system is appropriate to optimize the complex experimental process. Additionally, it is possible in this manner to deliver early during the first phase of this project experimental data that can be used for validation and comparison by numerical partners within the SPP. The evolution of the pH is followed in space and time in the experiment using indicators (e.g., Uranin) and Laser-Induced Fluorescence (LIF). Thanks to a calibration and knowing the gas conditions at inflow and outflow, it is possible to measure in this manner mass transfer. In order to avoid shadows, light refraction and reflection due to the bubbles, a second, pH-independent tracer is used, allowing to correct the experimental images (2-Color-LIF). The measurement procedure is used first for isolated bubbles and bubble trains, then for small groups of bubbles, varying flow rates and typical bubble diameters. After optimizing the measurement tech-niques, a typical bubble swarm is finally considered. Using high-speed cameras it is possible to track in time bubble diameters, bubble pathlines and mass transfer. Particle Tracking Velocimetry (PTV) is used to measure bubble velocities and trajectories, based on the available experience in our group. Velocities of the liquid phase are measured by Particle Imaging Velocimetry (PIV). Using a stereo-PIV system, all three velocity components of the water phase can be acquired. It is possible in this manner to quantify the impact of hydrodynamics on mass transfer, delivering comparison data for numerical projects within the SPP. Since liquid properties play a considerable role concerning mass transfer, liquid viscosity and surface tension will be varied using different glycerine/water mixtures of known properties. Here again, mass transfer and hydrodynamics will be measured simultaneously. All experimental data will be made available as soon as possible to all project partners and to the entire research community through a database accessible on the Web. All people interested by comparisons and validations of numerical simulations can freely use those experimental results.
Otto-von-Guericke-Universität Magedeburg Lehrstuhl Strömungsmechanik und Strömungstechnik
