Untersuchungen zur Fluiddynamik von Schaum

Membranzellen für elektrochemische Reaktionen unter Bildung gasförmiger Produkte (z. B. Chlor, Sauerstoff, Wasserstoff) unterscheiden sich von herkömmlichen Blasensäulenreaktoren durch die Bildung feiner Gasbläschen an der festen Oberfläche der Elektroden und durch eine Begasung der Flüssigkeit über die gesamte Zellenhöhe. Gegenüber reinem Wasser bewirken Zusätze von anorganischen Elektrolyten mit kleinen Anionen eine Behinderung der Koaleszenz der Gasblasen. Zur Untersuchung der Zweiphasenströmung in einer solchen Anordnung wurde eine Nachbildung der Elektrodenreaktion mit Gasentwicklung durch die katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid an Platin realisiert. Als Blasensäule dient ein Plexiglasrohr mit einem Innendurchmesser von 52 mm. Zentrisch im Rohr ist der Katalysator, ein mit Platin beschichtetes Titanrohr, angeordnet. Der volumetrische Gasgehalt der Dispersion wird mittels über die Säulenhöhe angeordneten Differenzdruckaufnehmer gemessen. Die Volumenstromdichte an Gas steigt linear mit der Säulenhöhe an. Bei kleinen Gasbelastungen (Gasvolumentrom pro aktive Katalysatorfläche) und geringen Eintrittskonzentrationen des Wasserstoffperoxids bildet sich erwartungsgemäß eine homogene Blasenströmung heraus. Ab einem Gasgehalt von ca. 20% gewinnt die Schwarmbehinderung an Einfluß auf die Blasenströmung. Der Gasgehalt der Dispersion wächst überproportional an. Nehmen Gasbelastung und Anfangskonzentration des Wasserstoffperoxids größere Werte an, geht die Blasenströmung in eine Schaumzone über. Im untersuchten Lastbereich erstreckt sich der Schaum bis zu ca. 68% des Reaktionsvolumens. Unabhängig von der örtlichen Volumenstromdichte an Gas werden hier über mehrere hintereinander geschaltete Meßvolumina gleiche Gasgehaltswerte gemessen, d.h. der Zuwachs an eingetragenem Gas wird durch das Anwachsen der mittleren Aufstiegsgeschwindigkeit des Blasenschwarms infolge von Koaleszenz kompensiert. Hinsichtlich seiner Stabilität kann der Schaum als kurzlebig charakterisiert werden. Es wurden Schaumzerfallszeiten im Bereich von 40 Sekunden gemessen.