Bewertung verschiedener Messverfahren zur Ermittlung des axialen Dispersionskoeffizienten der Gasphase in Blasensäulen mittels Volumenstrommodulation

Dispersionsphänomene bestimmen die Verweilzeit fluider Phasen in Gas-Flüssigkeits-Kontaktapparaten und damit das Prozessverhalten erheblich. Mit dem axialen Dispersionsmodell (ADM) kann die Auswirkung der Dispersion auf Prozesse bereits bei der Auslegung berücksichtigt werden. Dies setzt allerdings eine zuverlässige Quantifizierung des axialen Dispersionskoeffizienten voraus.
Die herkömmlichen Ansätze zur Messung axialer Dispersionskoeffizienten basieren auf dem Einsatz von Tracer-Substanzen, die mit dem Gas- oder Flüssigkeitsstrom injiziert werden. Aufgrund ihres invasiven Charakters sind diese Verfahren kaum universell anwendbar, können schädliche Verunreinigungen und Prozessstillstände verursachen und die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit verändern.
Von Hampel [1] wurde kürzlich ein neuartiger, nicht-intrusiver Ansatz zur Bestimmung des axialen Gasdispersionskoeffizienten D_G in Blasensäulen entwickelt. Im Gegensatz zum Einsatz von Tracer-Substanzen basiert dieser Ansatz auf einer aufgeprägten sinusförmigen Modulation um einen konstanten Gaseintrittsvolumenstrom. Dies führt zu einer Modulation des Gasholdups ϵ(t,x) in der Blasensäule. Die Amplitude der aufsteigenden Holdupwelle wird durch die Gasdispersion gedämpft und in der Phase verschoben. Amplitudendämpfung V und Phasenverschiebung Δϕ können experimentell gemessen und mit dem Wert des axialen Dispersionskoeffizienten unter Verwendung des eindimensionalen ADM in Beziehung gesetzt werden. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie von Döß et al. [2] wurde gezeigt, dass mittels sinusförmig aufgelöster Gammastrahlen-Densitometrie die Bestimmung der Amplitudendämpfung und der Phasenverschiebung zwischen zwei axialen Säulenpositionen – und damit die Berechnung des axialen Dispersionskoeffizienten – möglich ist. Abbildung 1 zeigt das Prinzip und den Versuchsaufbau.
Der Betrieb von Gammastrahlenquellen im industriellen Umfeld erfordert einige Aufwendungen für den Strahlenschutz. Daher wurde in dieser Studie die Verwendung alternativer, nicht-strahlungsbasierter Techniken zur Messung der Gasholdupwelle untersucht. Eingesetzt wurden dabei insbesondere Differenzdrucksensoren, Leitfähigkeitssensoren und optische Nadelsonden. Da keine der genannten Techniken den Holdup direkt misst, wurden jeweils Strategien zur Berechnung der Amplitudendämpfung und der Phasenverschiebung ausgearbeitet.
Um nachweisbare Amplituden- und Phasenänderungen an ausgewählten axialen Positionen zu gewährleisten und gleichzeitig das hydrodynamische Verhalten nicht zu verändern, wurden verschiedene Gasmodulationsschemata in Bezug auf die initiale Modulationsamplitude und -frequenz untersucht. Die mit den Techniken verbundenen experimentellen Unsicherheiten wurden ebenfalls quantifiziert.

Dispersion phenomena significantly determine the residence time of fluid phases in gas-liquid contact apparatus and thus the process behaviour. With the axial dispersion model (ADM), the effect of dispersion on processes can already be taken into account during design. However, this requires a reliable quantification of the axial dispersion coefficient.
The conventional approaches to measuring axial dispersion coefficients are based on the use of tracer substances injected with the gas or liquid flow. Due to their invasive nature, these methods are hardly universally applicable, can cause harmful contamination and process downtime, and alter the physical properties of the liquid.
A novel, non-intrusive approach to determine the axial gas dispersion coefficient D_G in bubble columns was recently developed by Hampel [1]. In contrast to the use of tracer substances, this approach is based on an imposed sinusoidal modulation around a constant gas inlet volume flow. This leads to a modulation of the gas holdup ϵ(t,x) in the bubble column. The amplitude of the rising holdup wave is damped by the gas dispersion and shifted in phase. Amplitude damping V and phase shift Δϕ can be measured experimentally and related to the value of the axial dispersion coefficient using the one-dimensional ADM. Within the framework of a feasibility study by Döß et al [2], it was shown that by means of sinusoidally resolved gamma-ray densitometry the determination of the amplitude attenuation and the phase shift between two axial column positions - and thus the calculation of the axial dispersion coefficient - is possible. Figure 1 shows the principle and the experimental setup.
The operation of gamma radiation sources in an industrial environment requires some expenditure for radiation protection. Therefore, this study investigated the use of alternative, non-radiation-based techniques for measuring the gasoldup wave. In particular, differential pressure sensors, conductivity sensors and optical needle probes were used. Since none of the techniques mentioned directly measures the holdup, strategies for calculating the amplitude attenuation and the phase shift were worked out in each case.
To ensure detectable amplitude and phase changes at selected axial positions while not altering the hydrodynamic behaviour, different gas modulation schemes were investigated in terms of initial modulation amplitude and frequency. The experimental uncertainties associated with the techniques were also quantified.