Ermittlung von Verweilzeitverteilungen in Elektrolysezellen

 

Laufzeit: seit 05 / 2007

Förderung: Haushalt

 

Ziel

Entscheidend für die Effizienz elektrochemischer Prozesse ist die Minimierung des spezifischen Energieverbrauchs bei gleichzeitiger Optimierung der Raum-Zeit-Ausbeute. Diese Parameter werden maßgeblich durch die Strömungsverhältnisse in der Elektrolysezelle bestimmt. Ziel ist deshalb die Etablierung minimal-invasiver Messverfahren zur Untersuchung hydrodynamischer Bedingungen im Anoden- und Katodenraum industrieller Elektrolysezellen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Ermittlung Verweilzeit und Rückvermischungsgrad.

Aufbauend auf den Messergebnissen sind Modellierung und Simulation der Strömungen in Elektrolysezellen als Voraussetzung für die Optimierung der Hydrodynamik geplant.

 

Methoden

Während Verweilzeitspektren hauptsächlich durch die Zugabe von Tracern aufgenommen werden, deren zeitlicher Konzentrationsverlauf lokal und invasiv gemessen wird (z.B. Leitfähigkeitsmessung bei Zugabe leitfähiger Substanzen), stellt die laserinduzierte Fluoreszenz (LiF) ein minimal-invasives punkt- oder flächenorientiertes Verfahren zur Erfassung von Konzentrationen wassergelöster Stoffe zur simultanen Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten und Konzentrationen dar.

Bei der LiF-basierten Messmethode wird der Fluoreszenz-Farbstoff Sulforhodamin B (SRB) als Tracer verwendet, der mit einem grünen Laserstrahl der Wellenlänge 532 nm zur Fluoreszenz angeregt wird. SRB ist photo-stabil und wenig sorptiv und ermöglicht aufgrund des Emissionsmaximums von 583 nm eine gute Signaltrennung. Eine gute Signalqualität wird durch eine hohe Quanten-Effizienz (hohe emittierte Fluoreszenz-Intensität) erreicht. Vorrausetzung für die Anwendung der LiF ist eine direkte Proportionalität zwischen Fluoreszenz-Intensität und Farbstoffkonzentration (Abbildung 1).

Abbildung1: Farbstoffkonzentration

 

Der Versuchsaufbau zur Verweilzeitmessung mittels LiF in einer Elektrolysezelle ist in der Abbildung 2 am Beispiel des Katodenraumes schematisch dargestellt. Am Reaktoreintritt wird ein 10 sek. Rechteckimpuls SRB zugegeben. Das zu untersuchende Volumenelement wird mit dem Laser seitlich durchstrahlt. Mit einer Kamera wird der zeitliche Verlauf der Floureszenz-Intensität I(t) als RGB-Bild frontal aufgenommen. Zur Signaltrennung wird ein Sperrfilter für Wellenlängen < 550 nm verwendet.

 

Abbildung 2: Experimenteller Aufbau und Messprinzip (1 – segmentierte Katode, 2 – Katodenraum, 3 – Abstandsgitter, 4 – Anodenraum, 5 – Anode, 6 – Membran, 7 – Kamera, 8 – Laser, 9 – Flüssigkeitsverteiler)

 

Zur Berechnung der dimensionslosen Tracerkonzentration E(t) nach Gleichung (1) wird zusätzlich die Intensität der Dunkelreferenz IB und der Tracerreferenz IE=1 benötigt.

Gleichung1_Elektrolyse

 

(1)

Die Berechnung des Rückvermischungsgrades (axiale Dispersion Dax bzw. Peclét-Zahl) und der Strömungsgeschwindigkeit u erfolgt anhand eines axialen Dispersionsmodells (Gleichung 2).

Gleichung2_Elektrolyse

 

(2)

Ergebnisse

Abbildung 3 zeigt beispielhaft die Resultate für eine Schätzung der Parameter u und Dax anhand gemessener Verweilzeitspektren auf unterschiedlichen Höhen im Katodenraum.

 

Abbildung 3: Verweilzeitverteilung Experimente vs. Simulation (Bsp. 70 l/h, u = 0,034 m/s, Dax = 0,00068 m2/s)

 

Für die Beurteilung der Rückvermischung eignet sich die Peclét-Zahl als dimensionlose Größe, die das Verhältnis von konvektivem zu diffusiven Stofftransport beschreibt und sich anhand des ermittelten axialen Dispersionskoeffizienten berechnen lässt.

Abbildung 4: Axiale Dispersion und Peclét-Zahl vs. Strömungsgeschwindigkeit

 

In Abbildung 4 sind die charakteristischen Größen der Rückvermischung in dem Katodenraum der Elektrolysezelle dargestellt. Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten liegt Pfropfenströmung vor. Bei höheren Geschwindigkeiten nimmt die axiale Rückvermischung zu.

 

Kontakt / Ansprechpartner

Dr. H. Kryk, M. Schubert

 

 

 

 
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