Stoffübergang von aufsteigenden Blasen in reagierenden Flüssigphasen
Der Kern des beantragten Folgeprojekts liegt in der Untersuchung des Einflusses der Interaktionen von Blasen auf den Stofftransport in reagierenden Flüssigkeiten. Wie in der ersten Förderperiode sind die experimentellen Arbeiten fokussiert auf die Aufklärung der Interaktionen von Fluiddynamik, Stofftransport und Reaktion. Um die Interaktionen zu untersuchen, sollen ausgewählte Blasen in verschiedenartigen Blasenensembles untersucht werden. Die in der ersten Förderperiode entwickelte Messtechnik soll jedoch weiterhin auch für ergänzende Einzelblasenmessungen genutzt werden, da dies die Grundlage für den Vergleich mit dem Verhalten in Blasenensembles liefert. Die ergänzenden Einzelblasenuntersuchungen zur Bestimmung des Stoffübergangskoeffizienten auf Basis der Blasengrößenänderung sind auf die zwei im Rahmen der ersten Förderperiode weiterentwickelten Messapparaturen (Aufstiegsmesszelle, Gegenstrommesszelle) verteilt. Variiert werden hierbei: Das chemisches System, die Blasengrößen, die Kontaktzeit, der Druck, die Temperatur und die Eduktkonzentration in der flüssigen Phase. Die Ergebnisse werden mit angepassten oder ggf. neuen Sherwood-Korrelationen unter sinnvoller Einbeziehung aller Parameter modelliert. Diese Korrelationen dienen als Grundlage für den Vergleich mit Systemen, bei denen in Blasennähe komplexere Strömungs- und ggf. auch Konzentrationsfelder vorliegen. Diese Felder sollen unter definierten Bedingungen erzeugt werden. Dies geschieht mit nacheinander in einer Kette aufsteigenden Blasen, mit einer Anordnung von Blasen und mit einem vorauseilenden Blasenschwarm in dessen Nachlauf eine einzelne Blase aufsteigt und optisch vermessen wird. Zum Vergleich werden auch die Ergebnisse mit einem Turbulenzpromoter mit den vorher genannten Varianten getestet . Neben der Untersuchung der in der 1. Förderperiode entwickelten, chemischen Systeme, sollen auch die neu- bzw. weiterentwickelten chemischen Systeme mit parallelen und/oder konsekutiven Reaktionen untersucht werden. Dies bedarf zum Teil neuer Ansätze um differenzierte Aussagen über die Systeme treffen zu können. Hierzu sollen die in der ersten Förderperiode geschaffenen Möglichkeiten der voll automatisierten Versuchsführung dahingehend ausgenutzt werden, dass die optische Messtechnik um weitere sowohl feststehende als auch mitbewegte spektrale Messtechniken erweitert wird. Da chemische Systeme geplant sind, deren konkurrierende Reaktionen in unterschiedlichen Verfärbungen resultieren, bietet dieser Ansatz großes Potential. Der hier gewählte Ansatz der optischen Verfolgung der Blase liefert durch den Blasenpfad, die Blasenform und das Schrumpfungsverhalten unter diversen in höchstem Maße kontrollierten Bedingungen viele Ansatzpunkte für die Validierung von Simulationen der numerischen Gruppen.
Technische Universität Berlin
Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik
Projektleitung
Prof. Dr. Matthias Kraume
Projektbearbeitung
David Merker, M.Sc.
Mass Transfer around gas bubbles in reacting liquids
The project deals with the quantification of mass transfer around rising single bubbles and bubble swarms in reacting systems as in bubble columns. Experimental work is focussed on the clarification of the interactions between fluid dynamics, mass transfer and chemical reactions. The following parameters will be varied: chemical system, reaction rate (concentrations, temperature and pressure), bubble diameter and number, contact time, degree of turbulence in the liquid phase.To characterise mass transfer by measuring mass transfer coefficients two novel image analysis based methods are further developed and applied. Using high speed cameras the decrease of bubble sizes due to chemical reaction is followed over time. As a result the time resolved mass transfer averaged over the bubble surface can be calculated. These measurements will be automated based on an adapted image analysis. Due to refraction effects and irregularly shaped bubbles this already existing method has to be improved. Beside the integral mass flux locally resolved information about mass transfer will also be gathered using a novel colourimetric method. It is based on an oxidation reaction where a coloured product is generated. A highspeed camera follows the expansion of the dyestuff into the continuous phase. By grey scale analysis the local concentration of the dyestuff can be determined allowing an analysis of the local mass fluxes. This method has to be further improved within the project.Both measurement techniques will be applied for single bubbles and bubble swarms. In bubble swarms the impact of bubble induced turbulence on mass transfer can be studied. Only diluted swarms will be investigated initially.The main focus of the project is the impact of homogeneous chemical reactions on mass transfer. As reacting systems sodiumhydroxide solutions and CO2 bubbles are used representing systems with only one irreversible reaction. Additionally, oxidation reactions leading to coloured products are used where also parallel reactions occur. Here, the time scales of the reaction will be changed over a broad range by varying temperature and concentrations.
Technische Universität Berlin
Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik
Project leader
Prof. Dr. Matthias Kraume
Project manager
David Merker, M.Sc.