Please activate JavaScript!
Please install Adobe Flash Player, click here for download

entdeckt_02_2013

TITEL// Das Forschungsmagazin aus dem HZDR WWW.Hzdr.DE 12 13 Kleinere Blasen für mehr Ausbeute Nach unten schließt den Zylinder eine Platte mit etlichen Löchern ab, durch sie wird das für die Reaktion benötigte Gas dosiert. Strömt das Gas nun durch diese Löcher, entstehen kleine Blasen, die in der Säule nach oben steigen. Das pas- siert aber keineswegs geradlinig, was schon ein Blick auf die Luftblasen zeigt, die ein Taucher beim Ausatmen produziert. Auch das läuft nicht gleichmäßig ab: Beim Aufsteigen hat eine Gasblase ja bereits die vor ihr liegende Flüssigkeit bewegt und erzeugt damit eine Art Sog für nachfolgende Bläschen. „Ein wenig ähnelt der Aufstieg von Gasblasen der Bewegung eines Vogelschwarms, wo das Ganze aussieht wie ein geordnetes Chaos“, beschreibt Schubert dieses Verhalten. „Der Aufstieg der Gasblasen führt natürlich auch zu einer Vermischung der Flüssigkeit, die die Prozesse beeinflusst. Die Flüssigkeit strömt hauptsächlich in der Mitte des Rohres nach oben und sinkt an den Rändern wieder ab“, erklärt der Forscher weiter. Für einen Verfahrenstechniker ist es daher sehr wichtig, das Verhalten der Ströme von Flüssigkeit und Gas exakt zu beobachten. Obendrein will er nicht nur wissen, wie groß die einzelnen Bläschen sind, sondern auch noch, wie oft zwei oder mehrere von ihnen zu einer größeren Blase verschmelzen. Je mehr kleine Bläschen in der Flüssigkeit sind, umso größer ist die Oberfläche des Gases. Genau diese große Oberfläche wird für die Reaktion benötigt. Wenige große anstelle vieler kleiner Bläs- chen bedeuten demnach weniger Ausbeute und höhere Kosten. Um die für die jeweilige Reaktion optimalen Bedingungen herauszufinden, analysiert Markus Schubert die Strömung mit einer ultraschnellen Computertomographie, die am HZDR entwickelt wurde: Die normalerweise für diese Beobachtungs- technik in Krankenhäusern verwendeten Tomographen lassen sich für die hier benötigten Kurzzeit-Aufnahmen nicht schnell genug steuern. Daher nutzen die HZDR-Forscher Röntgen- strahlen, die beim Auftreffen von Elektronenstrahlen auf Wolf- ram entstehen. Die Elektronen aber können mit elektrischen Spulen sehr schnell abgelenkt werden; entsprechend schnell ändert sich dann die Position der erzeugten Röntgenstrah- len. Diese werden vom Wasser stärker und vom Gas weniger geschwächt. Detektoren messen anschließend, wie stark die Röntgenstrahlung nach Passieren der Strömung noch ist. Aus dieser Schwächung berechnen aufwändige Programme dann, ähnlich wie in der Medizin, die Bilder der Blasen in der Flüssig- keit. Mit dieser Technik sind tausend Bilder von der Strömung im Glaszylinder in nur einer Sekunde kein Problem. Parallel dazu entwickelt Markus Schubert Computermodelle, mit denen er die Strömungen simulieren kann. Erneut macht er das zunächst für Wasser und Luft. In diesen Modellen muss der Forscher dann „nur noch“ die meist bekannten Eigen- schaften einer anderen Flüssigkeit eingeben, um auch dort die Strömungen zuverlässig zu modellieren. Und natürlich folgen später noch echte Experimente, zum Beispiel mit organischen Lösungsmitteln. Am Ende will der Forscher der Industrie so Grundlagen liefern, mit denen sie den Energieverbrauch der jeweiligen Reaktionen verringern kann. Kontakt _Institut für Fluiddynamik im HZDR Dr. Markus Schubert m.schubert@hzdr.de BLASENSTRÖMUNG: Die Abbildung zeigt bei- spielhaft Strömungsstrukturen, die sich in einer engen Blasensäule von 70 Millimeter Durchmes- ser einstellen können. Die Messungen wurden mit der im HZDR entwickelten ultraschnellen Röntgen-Computertomographie durchgeführt. Die vielen „Schnittbilder“ der Strömung, die mit einer Frequenz von 1.000 Hertz (also 1.000 Bildern pro Sekunde) aufgenommen wurden, können dann zu dreidimensionalen Strukturen zusammengefügt werden. In der Studie wurde die Flüssigkeit immer mit der gleichen Luftmenge durchströmt, jedoch wurde von links nach rechts die Viskosität der Flüssigkeit erhöht. Viskose Flüssigkeiten können zum Beispiel im Bereich der Abwasserbehandlung oder in Bioreaktoren auftreten und unterscheiden sich deutlich von Wasser. Damit ändert sich auch die Strömungsstruktur – von wenigen kleinen Blasen über eine dichte Blasenströmung bis hin zur Aus- bildung von regelmäßigen Großblasen. Glycerin (%) 0 20 38 50 70 100

Übersicht