Tomographische Bildgebungsverfahren für Mehrphasenströmungen

Mehrphasenströmungen finden sich in einer Vielzahl von Prozessen und Apparaten der chemischen Industrie. Sie treten in vielfältigen Formen, wie etwa als disperse Gas-Flüssigkeits-Strömungen in Blasensäulenreaktoren, Gas-Feststoff-Strömungen in Wirbelschichtapparaten oder Blasen-, Schwall- und Filmströmungen in Destillationskolonnen auf. Charakteristisch für Mehrphasenströmungen ist, dass sie messtechnisch schwer erfassbar, theoretisch schwer modellierbar und numerisch schwer berechenbar sind. Ihre Beobachtung und Beschreibung in sowohl industriellen Apparaten als auch in kleinskaligen Versuchsanlagen erfordert Messverfahren, die in der Lage sind, mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung Phasenverteilungen, Phasengrenzflächendichten, Turbulenz- und Geschwindigkeitsparameter in Kontinuumsphasen, als auch Wärme-, Stoff- und Impulstransport zwischen den beteiligten Phasen abzubilden. Da Mehrphasenströmungen im Allgemeinen opak sind, ist dies mit den sonst in der Strömungsmechanik üblichen optischen Messverfahren nur begrenzt möglich. Dazu kommt, dass gerade in der Verfahrenstechnik viele Prozesse bei hohen Drücken und Temperaturen und in Gefäßen mit dicken Metallwänden und Einbauten ablaufen, was die Möglichkeiten der Instrumentierung einschränkt und hohe Anforderungen an die Robustheit von Messsystemen stellt.

In der jüngeren Vergangenheit wurden am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf verstärkt Anstrengungen unternommen, tomographische bildgebende Messverfahren zu entwickeln, mit denen eine Aufklärung von Mehrphasenströmungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung möglich ist. Ergebnisse dieser Entwicklungen, wie die Gittersensortechnik, die Gamma- und Röntgentomographie, werden im Vortrag vorgestellt. Mit dem Gittersensor wurde erstmalig die Untersuchung transienter Gas-Flüssigkeits-Strömungen mit Bildraten von bis zu 10.000 Bildern pro Sekunde bei einer räumlichen Auflösung von ca. 2 mm möglich. Für druckführende Apparate und Apparate mit Einbauten steht die hochauflösende Gammatomographie zur Verfügung, die eine räumliche Auflösung von ebenfalls ca. 2 mm erreicht. Schließlich vereint die ultraschnelle Röntgentomographie einige vorteilhafte Eigenschaften, wie die berührungsfreien Messung mit hoher räumlicher (~1 mm) und zeitlicher (~10.000 Bilder pro Sekunde) Auflösung sowie die Abbildung opaker und sowie feststoffhaltiger Medien. Der Vortrag stellt die genannten Messverfahren hinsichtlich ihrer physikalischen und messtechnischen Grundprinzipien dar und gibt einen Einblick in potenzielle Anwendungen und Methoden für die Bilddatenanalyse.