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Blasensäule und Reaktion
 

integral vs. lokal – Wenn die Zeitskala entscheidet
 

Blasensäulen werden in der chemischen, petrochemischen, biochemischen und Metallindustrie eingesetzt. Durch die Dezentralisierung der Stromnetze gewinnen zudem Power-To-Gas Ansätze an Bedeutung. Zum Beispiel wird bei der Methanisierung aus Wasserstoff (H2), welches durch Elektrolyse gewonnen wird, und Kohlenstoffdioxid (CO2) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) synthetisches Methan (CH4) erzeugt. Dabei kommt ein Dreiphasensystem in einer Blasensäule zum Einsatz. Die beiden Edukte liegen gasförmig und der Katalysator in fester Form vor. Zusätzlich wird ein flüssiges Wärmeträgermedium verwendet. Für die Einspeisung des Gases sind jedoch bestimmte Qualitätsanforderungen zu gewährleisten. 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 nicht liefern kann.

Trotz der vielversprechenden Beschreibung der lokalen Hydrodynamik mittels CFD bleiben einige offene Fragestellungen, die zur prädiktiven Beschreibung reaktiver Blasensäulen gelöst werden müssen:

  1. Einfluss der Blaseninteraktion (z. B. Bouncing).
  2. Einfluss der Blasengrößenverteilung auf Hydrodynamik (mono-, polydispers).
  3. Gegenseitige Wechselwirkung von Reaktion und Hydrodynamik (blaseninduzierte Turbulenz).

Stoffaustausch

Erkenntnisse für effiziente, nachhaltige und wirtschaftliche Prozesse

Der Stofftransport an der Phasengrenzfläche und im Blasennachlauf wird neben der lokalen Hydrodynamik durch Blaseninteraktion (hydrodynamischer Stress) beeinflusst. Hierzu gehören unter anderem das Bouncing sowie die entstehende Blasendilatation und auch hydrodynamischer Stress bei Koaleszenz und Filmdrainage.
Die am Lehrstuhl vorhandene Messzelle ermöglichte Untersuchungen an einer hängenden Blase sowie an frei aufsteigenden Blasen unter Aufwendung geringer Flüssigkeits- (<500 ml) und Gasmengen entsprechend der generierten Blasenanzahl unter inerten Bedingungen. Durch die Automatisierung der Testzelle wurde eine hohe Reproduzierbarkeit der Messwerte erreicht. So konnte mit einem Laser Induced Fluorescence System gezeigt werden, dass der Stofftransport unter hydrodynamischen Stressbedingungen kurzzeitig ansteigt, bis sich die Grenzfläche wieder regeneriert hat.

Der reaktive Stofftransport wurde im weiteren näher an einem Fe(II)-Ligand-NO System untersucht. Dabei konnte dieser anhand von zweidimensionalen Simulationen gut beschrieben werden und die Erkenntnisse für einen Scale-up auf eine pseudo 2D Blasensäule verwendet werden.
Zu diesem Zwecke erfolgte eine Erweiterung eines Euler-Euler Ansatzes hin zur Beschreibung polydisperser Systeme sowie zur Beschreibung des reaktiven Stofftransportes sowie Temperaturentwicklung im Apparat. Es konnte gezeigt werden, dass bei Kenntnis der Blasengröße die Wechselwirkung zwischen Hydrodynamik und Reaktion gut durch die numerische Simulation beschrieben werden kann.
Dies ermöglicht in Zukunft, effiziente, nachhaltige und wirtschaftlichen Prozesse zu gestalten und den Stoff- und Wärmeübertragung bestmöglich durch einen kombinierten experimentellen sowie numerischen Ansatz zu beschreiben.