Blasensäulen werden in der chemischen, petrochemischen, biochemischen und Metallindustrie eingesetzt. Insbesondere bei reaktiven Blasensäulen wird deren Effizienz durch die vorherrschende lokale Hydrodynamik mitbestimmt. Zur Steigerung der Ausbeute und Selektivität ist daher ein besseres Verständnis der lokalen Hydrodynamik in Blasensäulen erforderlich, wie sie die State-of-the-Art Auslegung basierend auf integralen Methoden zur liefern kann. Trotz der vielversprechenden Beschreibung der lokalen Hydrodynamik mittels CFD bleiben einige offene Fragestellungen, die zur prädiktiven Beschreibung von reaktiven Blasensäulen gelöst werden müssen: 1. Einfluss der Blaseninteraktion (z. B. Bouncing). 2. Einfluss der Blasengrößenverteilung auf Hydrodynamik (mono-, polydispers). 3.egenseitige Wechselwirkung von Reaktion und Hydrodynamik (blaseninduzierte Turbulenz). Die Einzelphänomene wurden in der Vergangenheit meist experimentell und numerisch voneinander isoliert untersucht, wobei eine Interaktion unberücksichtigt blieb. Im beantragten Forschungsprojekt wird daher ein neuer mehrskaliger experimenteller sowie numerischer Ansatz für reaktive Blasensäulen verfolgt, wobei initial bekannte Testsysteme gefolgt von industrierelevanten (organischen) Leitsystemen aus dem SPP zum Einsatz kommen. In einem ersten Schritt werden Experimente zur Blaseninteraktion in einer Messzelle (<500µl) durchgeführt, welche den Einfluss der Hydrodynamik auf die Stofftransportmechanismen und der chemischen Reaktion mit hoher Orts- und Zeitauflösung (Bouncing, Filmdrainage) aufdecken. Im weiteren ermöglicht eine Venturizelle einen monodispersen Blasenschwarm durch einen Gegenstrom in einem Messvolumen zu fixieren und somit deren Interaktion (Blasenbewegung und Reaktion) isoliert zu betrachten. Final kann in einer 2D Blasensäule, die sich ähnlich einer realen zylindrischen Säule verhält, der lokale Hydrodynamikeinfluss auf die Reaktion untersucht werden, wobei die lokale Blasengröße mittels optischer Messsonden bestimmt wird. Die Hydrodynamik und lokalen Turbulenzen werden mittels der vorhandenen Lasermesstechnik (PIV, LIF, PDA) untersucht. Blaseninteraktionssimulationen mit Reaktion werden basierend auf der gitterfreien Finite Pointset Method (FPM) durchgeführt. Durch Variation der Randbedingungen entsprechend der Experimente erfolgt eine lokale Aufklärung der Reaktion in der Grenzschicht. Die Modellierung der 2D Blasensäule erfolgt auf Basis des Euler-Euler Modells. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen soll ein Turbulenzmodell selektiert und optimiert werden. Die Berücksichtigung der von der Temperatur und vom pH-Wert abhängigen Reaktion ermöglicht eine detaillierte Analyse und Beschreibung reaktiver Blasensäulen. Die Projektergebnisse sind von grundlegender Bedeutsamkeit für eine geometrieunabhängige Auslegung von reaktiven Blasensäulen. Die numerische Auslegung wird somit die Effizienz der Kolonnen erhöhen und die kostenintensiven Pilotplant Experimente minimieren.
Technische Universität Kaiserslautern Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Multiscale Investigations of Reactive Bubble Flows
Bubble columns are widely used in chemical, petrochemical, biochemical and metal industry. Especially in reactive bubble columns, the efficiency is influenced by the local hydrodynamics. To increase the efficiency of any apparatus, the mutual interaction of the local hydrodynamics and chemical reactions must be considered, which is not covered by the state-of-the-start integral design methods. However, local description of hydrodynamics by CFD exists, but there are still some challenges to overcome when a coupling with local reaction conditions has to be established: 1. Influence of the bubble interaction onto the reaction 2. Influence of the bubble size on bubble behavior 3. Mutual interaction of reaction and hydrodynamics at high time and space resolution (bubble induced turbulence) As given in literature, individual phenomena were isolated investigated by experiments and numerical studies, but the interaction of these phenomena were mainly neglected. In this research project, a new multi-scale experimental and numerical approach is used. Initially the start is with well described test systems followed by the industrial relevant (organic) systems defined in the progress of the SPP. In a first step, experiments in a test cell (<500µl) will be performed with a high spatial and time resolution to investigate the effect of bubble interactions (bouncing, film drainage) on the mass transfer and reactions. Furthermore, experiments in a Venturi cell allow hydrodynamics and reaction investigations of an isolated monodisperse bubble swarm (<10 bubbles) being spatially captured by the counter-current flow. Finally, experiments in a 2D bubble column (polydisperse) will be performed, mimicking a real cylindrical bubble column. The influence of the hydrodynamics and the reactions will be measured taking into account the local bubble size by optical probes. The hydrodynamics and turbulence are resolved by laser based measurement techniques (PIV, LIF, PDA) and is the basis for code validation. For the reactive bubble interactions, a mesh free solver (FPM) is used, which is able to track the interface without reconstruction. Hence, it can resolve the reactions at any location close to the interface and will support the experimental description at hydrodynamic stress of single and swarm bubbles on the reaction close to the interface. The modeling of a large-scale apparatus is then based on the Euler-Euler model to keep the computational costs low. Based on the experimental results, a turbulence model will be selected and optimized. The implementation of the pH- and temperature dependent reactions allows a first description and detailed analysis of the reactive bubble column. The result of the project will lead to a better understanding of the mutual influence of hydrodynamics and reaction on different scales. The numerical investigations will therefore increase the accuracy of layout and reduce efforts for time and cost intensive pilot experiments.
Technische Universität Kaiserslautern Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
