Zweiphasenströmung und Schaumbildung in Membranelektrolysezellen

Merkmale der Zweiphasenströmung in elektrochemischen Membranzellen mit gasenden Elektroden sind eine kontinuierliche Zunahme des Gasvolumenstroms über die Zellenhöhe, die Bildung relativ kleiner Gasbläschen an der Elektrode, sowie die hohe Konzentrationen gelöster anorganischer Elektrolyte, die zu einer Behinderung der Koaleszenz führen. Aufgrund dieser Besonderheiten geht die Blasenströmung bei entsprechend hoher Gasproduktion in Richtung Zellenkopf in eine Schaumzone über. Die Nachbildung einer Elektrodenreaktion mit Gasentwicklung wird durch die katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid an Platin realisiert. Anhand von axialen Gasgehaltsverteilungen werden die Strömungsverhältnisse in zwei Versuchsanordnung beschrieben. Die zylindrische Versuchszelle mit einem Innendurchmesser von 52 mm und einer Höhe von 1,2 m besitzt als Katalysator ein zentral angeordnetes, platinbeschichtetes Titanrohr von 16 mm Außendurchmesser. Die Versuchszelle mit rechteckigem Querschnitt wurde zur weiteren Annäherung an die originalen Elektrolysezellen aufgebaut. Die beide Anordnungen stehen bei gleicher Arbeitshöhe in einem Volumenverhältnis von 1:3, wodurch Aussagen zum Scale-up möglich werden. Die rechteckige Versuchszelle verfügt über einen gerippten Katalysator, der die originale Gestalt der Elektrode annähernd wiedergibt. Durch die Konzentration der Wasserstoffperoxids im Feedstrom und durch die Prozeßtemperatur wird der gewünschte Gasvolumenstrom eingestellt. Der volumetrische Gasgehalt und das axiale Gasgehaltsprofil werden mittels über die Zellenhöhe angeordneten Differenzdruckaufnehmern gemessen. Bei kleinen Gasbelastungen dominiert der Bereich der Kleinblasenströmung (Gasgehalte < 60%). Der volumetrische Gasgehalt steigt zunächst annähernd linear mit der Säulenhöhe an. Hiernach geht die Kurve in einen degressiven Verlauf über, der für eine heterogene Blasenströmung mit konstanter Schwarmaufstiegsgeschwindigkeit charakteristisch ist. Innerhalb der Schaumzone, bei Gasgehalten von ca. 60% bis ca. 70% bildet sich ein Plateau im axialem Gasgehaltsprofil heraus. Hier wird der Mehreintrag an Gas durch die Zunahme der Blasenauftriebsgeschwindigkeit infolge von Koaleszenzereignissen ausgeglichen. Im Zellenkopf ist ein weiterer Anstieg des Gasgehalts auf Werte bis zu 84 % zu verzeichnen. Bei gleicher Zellenleistung werden in der flachen Zelle kleinere Gasgehalte erhalten als in der zylindrischen Anordnung. Dieses Verhalten wird auf die durch die Jalousieform des Katalysators bedingte bimodale Blasengrößenverteilung der Primärblasen zurückgeführt. Mittels Gammadensitometrie wurde in der flachen Zelle das Gasgehaltsprofil senkrecht zum Katalysator gemessen. Entgegen dem visuellen Eindruck bleibt der Gasgehalt entlang der Zellentiefe konstant. Der in unmittelbarer Nähe des Katalysators erwartete Gasgehaltsgradient konnte wegen konstruktiver Begrenzungen nicht beobachtet werden. Riser- und Downcomerzone der Zirkulationsströmung der Flüssigkeit wurden mit LDA-Messungen nachgewiesen.