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- Strömungsmechanik: DFG fördert FAU-Projekt
Reaktortypus: Blasensäule
- Wenn Sprudelwasser sprudelt, steigen in der Flüssigkeit
Gasbläschen hoch. Vergleichbares läuft in Blasensäulen
ab, die in der Industrie eingesetzt werden - allerdings nicht
zu dem Zweck, den Gaumen zu erfrischen, sondern bei chemisch-technischen
Prozessen. Am Lehrstuhl für Strömungsmechanik von Prof.
Dr. Dr. h.c. Franz Durst erarbeiten Priv.-Doz. Dr. Günter
Brenn und Dipl.-Ing. Heiko Braeske an der Universität Erlangen-Nürnberg
die experimentellen Grundlagen für ein Berechnungsmodell,
das die physikalischen Vorgänge in solchen Vorrichtungen
unabhängig von Form und Größe der Anlage richtig
wiedergeben soll. Erste Ergebnisse liegen bereits vor.
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- Industriell werden Blasensäulen als Reaktoren genutzt:
in solchen Apparaturen laufen chemische Reaktionen, also Stoffaustauschprozesse,
zwischen gasförmigen und flüssigen Ausgangssubstanzen
ab. Auf diese Weise werden zum Beispiel industrielle Abwässer
durch Naßoxidation gereinigt oder schwere Erdölfraktionen
veredelt, die ohne Aufbereitung nicht mehr nutzbar sind.
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- Derartige Reaktoren funktionieren nach einem einfachen Grundprinzip.
Die gasförmige Stoffkomponente, auch Gasphase genannt, wird
am Boden des meist kreiszylindrischen Apparates eingebracht und
steigt in Form von Blasen durch die flüssige Komponente
(oder Flüssigphase) nach oben. Blasensäulen sind robust
und sehr anpassungsfähig. Sie haben keine bewegten Teile
und keine Einbauten, können für hohe Drücke und
Temperaturen ausgelegt werden, und eine dritte, feste Phase -
etwa ein Katalysatorträger - läßt sich ohne viel
Aufwand hinzufügen.
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- Zahlreiche Produkte der chemischen Industrie entstehen auf
diesem Weg. Entsprechend groß ist das Interesse daran,
diesen Reaktortyp zu verbessern und effizienter zu machen. Um
die chemischen Abläufe steuern zu können, müssen
physikalische Vorgänge berücksichtigt werden: die Umsetzung
der Stoffe hängt von ihrer Konzentration und von Größen
wie Druck, Temperatur und Stoffaustauschfläche an jedem
Ort im Reaktor ab. Gasblasen üben Verdrängungs- und
Schleppeffekte aus und mischen so die Flüssigkeit durch.
Kenntnisse der Strömungsdynamik im Reaktor sind daher unverzichtbar.
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- Maßstabsprobleme
- Ergebnisse aus Experimenten in kleinen Labor- und Technikumsanlagen
auf industrielle Größenordnungen zu übertragen,
ist allerdings äußerst problematisch, da sich mit
den räumlichen Abmessungen einer Blasensäule meist
auch die Strömungsvorgänge qualitativ grundlegend ändern.
Mittels Computersimulationen können solche Unterschiede
bereits bei der Planung von Anlagen berücksichtigt werden.
Die Simulationen wiederum basieren auf experimentell ermittelten
Daten.
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- Die derzeitigen Experimente am Lehrstuhl für Strömungsmechanik
sollen Daten liefern, die für Blasensäulen jeder Form
und Größe gelten. Daraus kann ein umfassendes und
detailliertes Modell entstehen, das die sinnvolle numerische
Berechnung zweiphasiger Strömungen ermöglicht. Auszufüllen
sind insbesondere Kenntnislücken im Bereich der Wechselwirkung
zwischen der gasförmigen und flüssigen Phase und der
mathematischen Beschreibung der Viskosität mehrphasiger
Fluidsysteme.
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- Chemische Reaktionen zwischen Gas und Flüssigkeit werden
in den Meßreihen zunächst nicht betrachtet. Mit einem
Membranbegaser werden sehr kleine Luftblasen im Größenbereich
zwischen 150 µm und 700 µm am Boden der Säule
in Wasser eingebracht. Die Gasgehalte in der ganzen Blasensäule
liegen bisher noch unter 1%. Als Versuchsparameter werden der
Gasvolumenstrom, die Flüssigkeitshöhe und die Blasengröße
variiert.
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- Es wird darauf geachtet, daß die Blasen kugelförmig
sind. Tracerpartikeln mit einem Durchmesser von 10 µm sollen
die Flüssigkeit "sichtbar" machen. Beides ist
erforderlich, um die Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA), ein optisches
Verfahren, als Meßtechnik einsetzen zu können. Die
Messungen liefern für Blasen und Tracer jeweils charakteristische,
unterschiedliche Signale.
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- Auf diese Weise können die Geschwindigkeiten der beiden
Phasen sowie die Blasengrößenverteilung gemessen und
dabei die Ankunftszeiten aufgenommen werden. Daraus lassen sich
die zeitlich gemittelte Gaskonzentrationsverteilung und Zusammenhänge
zwischen Blasengrößen und Geschwindigkeiten der beiden
Phasen ermitteln. Aus dem zeitlichen Verlauf der gemessenen Größen
lassen sich Aussagen über die Dynamik der Strömung
ableiten. Zum Beispiel können typische Blasenabfolgen ermittelt,
unterschiedliche Strömungsformen identifiziert und hinsichtlich
ihrer charakteristischen Turbulenzeigenschaften getrennt ausgewertet
werden.
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- Schlupfgeschwindigkeit
- Bisherige Messungen ergaben, daß durch jede Querschnittsebene
der Blasensäule die gleiche Flüssigkeitsmenge nach
oben wie nach unten fließt, wie es der Kontinuitätsbedingung
entspricht. Im mittleren Bereich des Säulenquerschnitts
ist die Strömung im zeitlichen Mittel nach oben gerichtet,
am Rand dagegen nach unten. Der Unterschied der Geschwindigkeiten
von Flüssigkeit und Blasen - die Schlupfgeschwindigkeit
- ist in der Mitte kleiner als am Rand und am kleinsten im Übergangsgebiet
zwischen Rand- und Kernzone.
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- Mit zunehmender Entfernung vom Begaser in Richtung der Zylinderachse
werden die Blasen im unteren Drittel der Blasensäule zunächst
schneller. Dann erreichen die Geschwindigkeiten ein Maximum und
streben nach oben hin gegen einen etwas niedrigeren konstanten
Wert. Die Schlupfgeschwindigkeit nimmt nach oben hin ab.
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- Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Projekt
mit einer Summe von 257.000 Mark im Schwerpunktprogramm "Analyse,
Modellbildung und Berechnung mehrphasiger Strömungen".
Alle an diesem Programm beteiligten Institutionen kooperieren;
speziell arbeitet der Erlanger Lehrstuhl mit dem Institut für
Chemische Verfahrenstechnik der Universität Stuttgart und
dem Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik der Martin-Luther-Universität
in Halle zusammen.
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- · Kontakt:
Dipl.-Ing. Heiko Braeske, Priv.-Doz. Dr. Günter Brenn
Lehrstuhl für Strömungsmechanik, Cauerstraße
4, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/85 -29473 , -29509, Fax: 09131/85 -29503
E-Mail: heiko.braeske@lstm.uni-erlangen.de, guenter.brenn@lstm.uni-erlangen.de
Internet: http://www.mvt.vt.uni-halle.de/forschung/dfg/dfg.html,
http://www.lstm.uni-erlangen.de/ber6
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- Mediendienst FORSCHUNG Nr. 568 vom 12.01.2000
Sachgebiet Öffentlichkeitsarbeit (Pressestelle)
pressestelle@zuv.uni-erlangen.de
Stand 12.01.2000