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Prof. Dr. Uwe Hampel
Head Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Dr. Markus Schubert
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Johannes Zalucky
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Experimentelle Untersuchung der Hydrodynamik in SiSiC-schaumgepackten Reaktoren

Motivation

Trotz hoher thermischer und energetischer Integration zählen die chemische und petrochemische Industrie mit ca. 40% des Primärenergieverbrauchs zu den energieintensivsten Industriesektoren der Ersten Welt. Als primäre Energietreiber wurden hierbei vor allem Prozessteilschritte identifiziert, die im Zusammenhang mit der Aufbereitung von Produkten aufgewendet werden müssen, die in den chemischen Reaktoren technisch bedingt entstehen. Im Rahmen des Verbundprojektes „Helmholtz-Energie-Allianz Energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse“ wurde nach gesamtheitlicher Betrachtung der Hauptaugenmerk auf Optimierung der etablierten Reaktorbauweisen Blasensäule und Rieselbettreaktor gelegt, die durch Verwendung innovativer Reaktoreinbauten ein erhebliche Effizienzsteigerung erfahren.

Als einer von sieben Projektpartnern befasste sich die Gruppe am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) mit Untersuchung der Mehrphasenhydrodynamik schaumgepackten Rieselbettreaktoren. Das dreidimensionale Netzwerk aus Feststoff und hydraulisch offenen Kanälen der offenzelligen SiSiC-Schäume zeichnet sich vor allem durch geringe Druckverluste, hohe spezifische Oberflächen und eine verbesserte thermische Leitfähigkeit aus. Gegenüber konventionellen Einbauten wie Kugel- oder Extrudatschüttungen sind durch diese Eigenschaften erhebliche Verbesserungen des Strömungs- und Temperaturfeldes sowie eine bessere Ausnutzung des chemischen Katalysators zu erwarten. Am HZDR wurden hierfür Untersuchungen zu Strömungsverhalten, Flüssigkeitsverteilung und Flüssigkeitsrückhalt unter Verwendung der schnellen Röntgentomographie durchgeführt. Die schnelle Röntgentomographie ermöglicht es das dynamische Strömungsverhalten anhand von zeitlich und räumlich hochaufgelösten Querschnittsbildern des Reaktors zu analysieren.

Bei den am HZDR untersuchten Gas- und Flüssigkeitsdurchsätzen konnten mit der Riesel- und der Pulsströmung zwei charakteristische Regime unter abwärtsgerichteter Strömung festgestellt werden [4, 7]. Die sehr dynamische Pulsströmung zeichnet sich hierbei durch den stetigen Wechsel von flüssigkeitsreichen und flüssigkeitsarmen Perioden aus, die im schnellen Wechsel durch nachströmendes Gas und Flüssigkeit durch den Reaktor getrieben werden. Der hohe Eintrag von Scherkräften und der stetige Flüssigkeitsaustausch sind Schlüsselmechanismen, die zu einer verbesserten Reaktionsführung, insbesondere bei stark exothermischen Reaktionen, beitragen können. Für die Untersuchung der Dynamik wurden Luft- und Wasserdurchsätze, axiale Position sowie Porendichte der Schaumpackung variiert [5, 6, 8].


Messsystem

Mit Hilfe der ultraschnellen Röntgentomographie [1-3] wurde der Flüssigkeitssättigungsverlauf im Reaktorquerschnitt ermittelt. Die Messungen wurden mit einer zeitlichen Auflösung von 1 ms und eine räumlichen Auflösung von 1 mm durchgeführt. Das Messsystem liefert dank seiner zwei Messebenen einen genauen Einblick in die Morphologie und statistischen Kenngrößen der Flüssigkeitspulse.

Mikro CT Bilder der verwendeten Schäume mit Porendichten von 20 ppi, 30 ppi und 45 ppi

Aufbau Röntgentomograph ROFEX III

Bild 1: Micro-CT Darstellung der verwendeten Schaumpackungen mit 20 ppi, 30 ppi und 45 ppi (v.l.n.r) Bild 2: Schematischer Aufbau des ultraschnellen Röntgentomographen ROFEX III

Ergebnisse

Vergleich Pulsströmung

In Abhängigkeit der Betriebsbedingungen tritt in Feststoffschäumen eine unterschiedlich stark ausgeprägte Pulsströmung auf. Im untersuchten Messbereich konnte die Pulsströmung in drei Gas/Flüssigkeit-Geschwindigkeitspaarungen (A, B, C) mit Leerrohrgeschwindigkeiten von
  • A: uL=0,03 m s-1 | uG=1,0 m s-1
  • B: uL=0,04 m s-1 | uG=0,8 m s-1
  • C: uL=0,04 m s-1 | uG=1,0 m s-1

nachgewiesen werden.
Zur Veranschaulichung können im Folgenden die Sättigungsverläufe je nach ausgewähltem Betriebspunkt dargestellt werden.

Achtung, hoher Datenverbrauch! Je Video ist mit einem Datenverbrauch von ca. 6 MB zu rechnen!
Attention, large data traffic! Each video may cause data traffic of up to 6 MB!


Darstellung Pulsströmung Darstellung Pulsströmung Darstellung Pulsströmung Scalebar für Sättigungsbilder

20 ppi

30 ppi

45 ppi

© HZDR
Die dargestellten Videos, welche den Verlauf der Flüssigkeitssättigung βL (Flüssigvolumen je Hohlvolumen) über der Zeit zeigen, sind repräsentative Ausschnitte von einer Sekunde Länge und sollen dem Interessenten die Dynamik der Pulsströmung verdeutlichen. Eine detaillierte Analyse der umfangreichen Messungen sind [5] zu entnehmen, welche sich mit der Pulsmorphologie und charakteristischen Kenngrößen wie Pulsfrequenz, -geschwindigkeit und -volumen befasst.

Journalveröffentlichungen

  • [1] Fischer, F.; Hoppe, D.; Schleicher, E.; Mattausch, G.; Flaske, H.; Bartel, R.; Hampel, U., An ultra fast electron beam x-ray scanner, Meas. Sci. Technol., 2008, 19(9), DOI:10.1088/0957-0233/19/9/094002
  • [2] Fischer, F.; Hampel, U., Ultra fast electron beam X-ray computed tomography for two-phase flow measurement, Nuclear Engineering and Design, 2010, 9, DOI:10.1016/j.nucengdes.2009.11.016
  • [3] Wagner, M.; Barthel, F.; Zalucky, J.; Bieberle, M.; Hampel, U., Scatter analysis and correction for ultrafast X-ray tomography, Phil. Trans. R. Soc. A, 2015, 373(2043), DOI:10.1098/rsta.2014.0396
  • [4] Zalucky, J.; Möller, F.; Schubert, M.; Hampel, U., Flow Regime Transition in Open-Cell Solid Foam Packed Reactors: Adaption of the Releative Permeability Concept and Experimental Validation, Ind. Eng. Chem. Res., 2015, 54(40), pp 9708-9721, DOI:10.1021/acs.iecr.5b02233
  • [5] Zalucky, J.; Claußnitzer, T.; Schubert, M.; Hampel, U., Pulse flow in solid foam packed reactors: Analysis of morphology and key characteristics, AIChe J., 2016, eingereicht.

andere Publikationen


Weiterführende Links


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