Kontakt

Dr. Markus Schubert

m.schubertAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 2627

Stofftransport in Minikanälen und Prozessintensivierungskonzepte

Mikro- und ministrukturierte Apparate sind für Reaktions- sowie Stoff- und Wärmetransportprozesse in der Prozess- und Verfahrenstechnik von besonderem Interesse. Im Zweiphasenbetrieb ist die Taylorströmung das bevorzugte Strömungsregime, bei dem hohe Gas-Flüssig-Stofftransportraten bei gut einstellbaren Verweilzeiten erzielt werden können.

Im Rahmen des Projekts wird der Stofftransport integral und lokal für die Taylorströmung in Kanälen unterschiedlicher Form, Wandrauigkeit und Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 10 mm und über die Abnahme des Blasenvolumens bestimmt. Insbesondere wird der Einfluss von oberflächenaktiven Substanzen (Tenside) auf den Stofftransport untersucht und anhand der Tensidkonzentration an der Grenzfläche und der lokalen Oberflächenspannung erklärt.

Die Auflösung von im Flüssigkeits-Gegenstrom fixierten CO2-Einzelnblasen in Wasser wurde mittels Mikrofokus-Röntgenbildgebungssystem kontinuierlich beobachtet. Der flüssigkeitsseitige Stofftransportkoeffizient wurde anhand der Größenänderung der Blase bei konstantem Druck berechnet und mithilfe der modifizierten Sherwood-Zahl korreliert.

Abnahme der Taylorblasengröße beobachtet mittels Mikrofokus-Röntgenbildgebung
Abbildung 1: Abnahme der Taylorblasengröße beobachtet mittels Mikrofokus-Röntgenbildgebung und ermittelte modifizierte Sherwood-Zahl.

Die Zugabe oberflächenaktiver Substanzen führt zu einer Änderung der Blasenform mit geringfügig größeren Filmdicken und verlängerten Blasen. Gleichzeitig nimmt die Auflösungsrate kleiner Blasen solange ab bis eine hohe Belegung der Oberfläche mit den oberflächenaktiven Substanzen erreicht ist.

Außerdem wurde ein neues Konzept zur Stofftransportintensivierung untersucht, bei dem Taylorblasen in horizontal vibrierenden Minikanälen bei niedriger Frequenz frei aufsteigen.

Prinzip der vibrations-induzierten Stofftransportsteigerung bei Taylorströmung in Minikanälen und Wellenbewegung
Abbildung 2: Prinzip der vibrations-induzierten Stofftransportsteigerung bei Taylorströmung in Minikanälen (links) und Wellenbewegung an der Blasenoberfläche (rechts).

Blasengröße und Auslösungsrate wurden mithilfe der Mikrofokus-Röntgenradiographie bestimmt und der flüssigkeitsseitige Stofftransportkoeffizient aus der Abnahmerate berechnet. Die Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen und die Wellenbewegung an deren Oberfläche wurden mittels Videometrie analysiert. Im Vergleich zum stationären Kanal konnte durch die mechanisch induzierte Oszillation der Stofftransport in Abhängigkeit von Frequenz und Amplitude der Vibration um 80 % bis 186 % gesteigert werden, was hauptsächlich auf die Ausbildung propagierender Grenzflächenwellen und auf höhere Flüssigkeitsfilmgeschwindigkeiten zurückzuführen ist. Außerdem ergab die Analyse der Oberflächenwellenbewegung, dass die größere Kontaktfläche zwischen den Phasen und die verstärkte Vermischung den Stofftransport im Vergleich zu nicht agitierten Blasen gleicher Péclet-Zahl zusätzlich um 30 % steigern.

Kooperation

  • TU Darmstadt,
  • RWTH Aachen,
  • TU Hamburg-Harburg,
  • TU Dresden

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, HA3088/7–1)

Referenzen