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Thomas Ziegenhein
Computational Fluid Dynamics
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Dr. Dirk Lucas
Head Computational Fluid Dynamics
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Modellierung und Simulation von Zweiphasenströmungen in Blasensäulen

Das Begasen von Reaktoren ist ein weit verbreitetes Konzept in allen Ingenieursdisziplinen in denen Wärme und Stofftransport, und somit auch Vermischungsvorgänge, eine wichtige Rolle spielen. Im Allgemeinen wird dabei der Begriff Blasensäule für solche Reaktoren im weiteren Sinne verwendet. Durch die Einspeisung der Gasphase als Blasen in eine Flüssigphase entsteht eine sehr große Austauschfläche, dadurch werden teilweise erst Reaktionen zwischen der Gas- und Flüssigphase ermöglicht. In Blasensäulen entstehen ebenfalls durch den Auftrieb der Gasblasen und dem damit verbundenen Impulstransport zur Flüssigphase stark instationäre Strömungen auf unterschiedlichen Längenskalen, die wesentlich zur Vermischung der Flüssigphase beitragen. Seit vielen Jahren steht die Modellierung und Simulation von solchen Strömung im Interesse der Forschung. Um Simulationen im industriellen Maßstab zu ermöglichen, wird im Allgemeinen die Euler-Euler Methode verwendet. Nachteilig bei dieser Methode ist jedoch, dass die Interaktion zwischen Gasphase und Flüssigphase weitestgehend modelliert werden muss. Hier ist es das Ziel ein allgemeines Modell zu definieren welches möglichst alle Effekte der Blasenströmung berücksichtigt, um die Vorhersagekraft von CFD-Simulationen zu gewährleisten.

Im derzeitigen Fokus der Arbeiten steht die Modellierung und Validierung vom Impulstransport zwischen den Phasen. Die Modelle müssen dabei komplexe Phänomene berücksichtigen, wie die Interaktion zwischen den Blasen selber oder der lateralen Blasenbewegung von Blasen in einer Scherströmung. Dabei spielt unter anderem die Mobilität der Grenzfläche eine Rolle, welche durch Verunreinigungen oder oberflächenaktive Stoffe und dem damit verbundenen Marangoni-Effekt beeinträchtigt werden kann. Solche Beeinträchtigungen führen nicht nur zu unterschiedlichen Blasenformen und/oder Blasenforminstabilitäten sondern auch zu teilweise sehr unterschiedlichen Verhalten der Blasen in Scherströmungen oder beim Aufstieg. Die Identifizierung solcher Effekte ist wichtig um im Weiteren den Schritt zur Modellierung von chemischen Reaktionen gehen zu können, bei denen Produkte gebildet werden können, die einen Einfluss auf die Phasengrenze haben.

Im Weiteren sind die Effekte auf den Längenskalen im Bereich der Reaktorgeometrie entscheidend für eine vorhersagebare Simulation von Blasensäulen. Dabei entstehen vor allem durch die punktuelle Gaseinspeisung komplexe Strömungsstrukturen die sehr stark von der jeweiligen Geometrie abhängen. In Abbildung 1 ist zum Beispiel eine Momentaufnahme einer Simulation von einer nicht gleichmäßigt begasten Blasensäule zu sehen. Hier ist es das Ziel einen Kompromiss zu finden zwischen zeitaufwändiger instationärer Simulation und großer Reaktorgeometrie.

Ziel der Arbeiten ist es einen kompletten Reaktor mit Hilfe der Euler-Euler Methode zu simulieren und die Vorhersagekraft der Simulation zu gewährleisten. Durch eine genaue Simulation der Vorgänge in einer Blasensäule können solche Reaktoren direkt ausgelegt werden und ein besseres Verständnis der Vorgänge wird gewährleistet. Durch eine bessere Auslegung können vor allem Einsparpotenziale ausgenutzt werden, was zu einer energieeffizienteren Fahrweise führt oder die Auslegung neuer energieeffizienter Reaktoren erst ermöglicht. In Korporationen mit anderen Helmholtz-Zentren und Universitäten im Rahmen der Helmholtz-Energie-Allianz für energieeffiziente Chemische Mehrphasenprozesse ist dies ein Hauptanliegen der Arbeiten.

                                                     Momentaufnahme einer instationären Euler-Euler Simulation
  Abb. 1: Momentaufnahme einer instationären Euler-Euler Simulation

Untersuchungen zur Stabilität der Strömungen in Blasensäulen

Die Ausbeute von Blasensäulen, die breite Anwendung für heterogene Reaktionen finden, hängt stark von der Struktur der Strömung ab. Seit Jahren steht der Umschlag zwischen erwünschter homogener und unerwünschter heterogener Strömung im Fokus der Untersuchungen. Die bisher vorgeschlagenen Mechanismen und Kriterien stehen teils im Widerspruch zu anderen experimentellen Beobachtungen. Eine mögliche Erklärung kann durch Berücksichtigung der stark blasengrößenabhängigen Liftkraft gegeben werden. Diese hat für kleine Blasen einen stabilisierenden Effekt auf die Strömung. Bei großen Blasen, für die die Liftkraft das Vorzeichen ändert, wirkt sie dagegen destabilisierend. Mit Hilfe einer linearen Stabilitätsanalyse wurde der Effekt untersucht und Kriterien zur Vorhersage der lokalen Stabilität einer Blasenströmung in Abhängigkeit vom Blasengrößenspektrum abgeleitet. Danach erfolgte die Überprüfung an Hand von CFD-Simulationen mit dem Code CFX-10 für den Fall von zwei Blasengrößenklassen – einer Klasse kleiner sowie eine Klasse großer Blasen. Quellen lokaler Instabilitäten werden in den Rechnungen durch einen deutlichen Anstieg der lateralen Geschwindigkeitskomponenten gekennzeichnet. Diese konnten genau in den von der Stabilitätsanalyse vorhergesagten Regionen beobachtet werden. Für das Gesamtsystem ergibt sich ein komplexes Wechselspiel zwischen lokalen und globalen Instabilitäten. Die auf Grundlage der linearen Stabilitätsanalyse abgeleiteten Kriterien zur Vorhersage der lokalen Stabilität einer Blasenströmung in Abhängigkeit vom Blasengrößenspektrum wurden nach der Veröffentlichung bereits von 2 Gruppen (Universität Montreal und TU Delft) experimentell bestätigt.



 

Stabilität Blasenströmung

     Blasensäulenstabilität 

Abb. 2: Modellschema für den Einfluss der Liftkraft auf die Stabilität einer homogenen Blasenströmung (aus Lucas et al. 2005)

Abb. 3: Mit dem CFD-Code CFX von ANSYS berechnete   Geschwindigkeitsfelder der Füssigkeit im Vergleich mit den abgeleiteten Stabilitätskriterien (aus Lucas et al. 2006)

 

Grundlagenexperimente

Als Unterstützung zu den theoretischen Arbeiten werden gezielt Experimente an einer Blasensäule im größeren Labormaßstab (15 Liter Volumen) durchgeführt. Im Fokus steht vor allem die Erweiterung der Schließungsmodelle durch Experimente in turbulenten Strömungen. Ebenfalls ist es das Ziel die entwickelte Stabilitätsanalyse durch experimentelle Daten zu untermauern. Neben den Experimenten im hochreinen Wasser werden gezielt oberflächenaktive Substanzen und Verunreinigungen eingesetzt um deren Wirkung auf die Blasenströmung zu beobachten.




Veröffentlichungen

T. Ziegenhein, R. Rzehak, D. Lucas
Transient simulation for large scale flow in bubble columns, Chemical Engineering Science, 2015, 122, 1-13.

T. Ziegenhein, R. Rzehak, E. Krepper, D. Lucas
Numerical Simulation of Polydispersed Flow in Bubble Columns with the Inhomogeneous Multi-Size-Group Model, Chemie Ingenieur Technik, 2013, 85, No. 7, 1080–1091.

T. Ziegenhein, D. Lucas, R. Rzehak, E. Krepper
Closure relations for CFD simulation of bubble columns, 8th International  Conference  on  Multiphase  Flow , ICMF  2013,  Jeju,  Korea,  May  26 - 31,  2013

D. Lucas, E. Krepper, H.-M. Prasser, A. Manera
Stability effect of the lateral lift force in bubbly flows, 6th International Conference on Multiphase Flow, ICMF 2007, Leipzig, Germany, July 9 – 13, 2007, paper S1_Mon_C_9

D. Lucas, E. Krepper, H.-M. Prasser, A. Manera
Investigations on the stability of the flow characteristics in a bubble column, Chemical Engineering & Technology 29 (2006) 1066 - 1072

D. Lucas, H.-M. Prasser, A. Manera
Linear stability analysis for the effect of the lift force in a bubble column, 7th German/Japanese Symposium on Bubble Columns, GVC, 20.-23.05.2006, Goslar, Deutschland

D. Lucas, H.-M. Prasser, A. Manera
Influence of the lift force on the stability of a bubble column, Chemical Engineering Science 60(2005)3609-3619

D. Lucas, H.-M. Prasser, A. Manera
Investigations on the stability of a bubble column, Annual Report 2004, Institute of Safety Research, HZDR-420, Rossendorf, March 2005, S. 1-6


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Thomas Ziegenhein
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Dr. Dirk Lucas
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