Charakterisierung des Stoffübergangs von Sauerstoff in Blasensäulen: Entwicklung optisch-experimenteller und numerischer Euler-Euler Methoden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Roland Rzehak; Dr.-Ing. Katharina Zähringer
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423761470

Eine Berechnung von Blasenströmungen auf der Skala ganzer Apparate ist gegenwärtig nur mittels der Euler-Euler oder Euler- Lagrange Modellierung realisierbar. Zu rein hydrodynamischen Fragestellungen existieren bereits zahlreiche Untersuchungen, eine Betrachtung von Stoffübergang und Vermischung ist dagegen bislang nur in Ansätzen erfolgt, insbesondere bei gleichzeitigem Vorliegen einer chemischen Reaktion. Ähnlich gibt es auch zur experimentellen Charakterisierung solcher größer-skaliger Blasenströmungen mit Stoffübergang und chemischer Reaktion nur wenige methodische Ansätze, die mit genügender Genauigkeit und zeitlicher sowie räumlicher Auflösung Daten liefern können. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, solche numerischen, wie auch experimentellen Werkzeuge weiterzuentwickeln, die es erlauben, die Euler-Euler Modellierung und die experimentelle Untersuchung des Stofftransports in Blasensäulen auf einen vergleichbaren Stand zu der der Strömungsdynamik zu bringen. Hierbei stehen insbesondere die Problematiken der Vermischung in der Säule und der daraus entstehenden Wechselwirkung zwischen chemischer Reaktion und Hydrodynamik im Mittelpunkt, welche für Reaktionen mit moderater Geschwindigkeit wichtig sind. Dazu werden numerische und experimentelle Methoden entwickelt und Simulations-Modelle durch den Vergleich mit Messdaten validiert. Der Schwerpunkt dabei liegt auf der simultanen Erfassung aller relevanten Größen, d.h. neben der Konzentration der Übergangskomponente auch der Geschwindigkeit der Blasen und der Flüssigkeit, sowie der Blasengrößen und -trajektorien mit hinreichender zeitlicher und räumlicher Auflösung. Seitens der Simulation fehlt vor allem eine verlässlich etablierte Modellierung des Stoffdurchgangs mit breiter Anwendbarkeit. Um dies zu erreichen werden in der Literatur vorhandene Ansätze zusammengefasst und miteinander verglichen. Effekte chemischer Reaktionen wurden mittels Simulationen bislang nur im Grenzfall schneller Reaktionen untersucht, die vollständig innerhalb der Randschicht um die Blasen ablaufen. Dies wird im vorliegenden Projekt erweitert auf mittelschnelle Reaktionen, bei denen ein Teil der Edukte ins Volumen der Flüssigkeit gelangt und erst dort umgesetzt wird. In diesem Fall ist eine signifikante wechselseitige Beeinflussung mit der Vermischung innerhalb der Blasensäule zu erwarten. Die genannten Aufgabenstellungen (Mischung, Stofftransport und Wechselwirkung zwischen chemischer Reaktion und Hydrodynamik) werden jeweils von beiden Antragstellern bearbeitet und die experimentellen Datensätze als Randbedingungen, bzw. zur Validierung der neu erstellten Modelle herangezogen. Umgekehrt werden die numerischen Erkenntnisse in die experimentelle Versuchsplanung einfließen, um so eine Konzentration auf die am stärksten relevanten Parameter zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Nicolas Dietrich