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Dr. Roland Rzehak

Lei­ter Flotation und reaktive Mehrphasenströmungen
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Euler-Euler-Modellierung reaktiver Strömungen in Blasensäulen

Im Gegensatz zur Strömungsdynamik ist eine Betrachtung des Stofftransports im Rahmen der Euler-Euler Beschreibung von Blasenströmungen bislang nur in geringem Umfang erfolgt, insbesondere bei gleichzeitigem Vorliegen einer chemischen Reaktion. Eine Übersicht der zu modellierenden Prozesse und ihrer Beziehung ist in der folgenden Abbildung 1 gezeigt.
Diese Prozesse wurden im Rahmen eines Projekts in der ersten Phase des kürzlich abgeschlossenen DFG Schwerpunktsprogramms 1740 „Einfluss lokaler Transportprozesse auf chemische Reaktionen in Blasenströmungen“ untersucht [8]. Gegenwärtig werden diese Studien in einem DFG-Projekt in Kooperation mit der Otto-von-Guerike Universität Magdeburg fortgeführt.

Schema der Prozesse für Euler-Euler Beschreibung
Abb. 1: Schematische Darstellung der mit Euler-Euler zu beschreibenden Prozesse.

Ein wesentlicher Parameter ist die Zeitskala der chemischen Reaktion: Schnelle Reaktionen laufen im Wesentlichen in der Grenzschicht um die Blasen herum ab, langsame dagegen im Inneren der Flüssigphase. Langsame Reaktionen können als sequenzielle Abfolge von nicht-reaktivem Stoffübergang und Reaktion in der Flüssigphase beschrieben werden. Dazu werden Modelle für den (physikalischen) Stoffübergangskoeffizient [1-3] sowie den turbulenten Stofftransport und die Mikrovermischung unter Berücksichtigung der Blasen-induzierten Turbulenz [4] benötigt.
Im Fall schneller Reaktionen ist ein Modell für den Enhancement-Faktor [5-7] erforderlich, der den Stoffübergangskoeffizient multipliziert. Der turbulente Stofftransport spielt hier nur für den Abtransport der Reaktionsprodukte eine Rolle (umgekehrte Richtung von Reaktant B in der Abbildung). Für mittelschnelle Reaktionen spielen alle diese Prozesse eine nicht vernachlässigbare Rolle. Zusätzlich wird der Enhancement-Faktor eine Funktion der Konzentration der Übergangskomponente (Reaktant A) im Volumen der Flüssigkeit.

Bimolekulare Reaktion zweiter Ordnung
Abb. 2: Reaktionsnetzwerk der bimolekularen Reaktion zweiter Ordnung zwischen CO₂ und NaOH.

Schwerpunktmäßig wurde bislang die Modellierung des Enhancement-Faktors betrachtet, wofür der Typ der Reaktion eine wichtige Rolle spielt. Zunächst wurde der häufig vorkommende Fall einer bimolekularen Reaktion zweiter Ordnung untersucht. Diese kann unter geeigneten Bedingungen bei der Absorption von CO₂ in Natronlauge beobachtet werden. Das volle Reaktionsnetzwerk für die Chemisorption von CO₂ in NaOH ist in Abbildung 2 dargestellt. Es existieren zwei Reaktionspfade, die Hydroxylierung (I) und die Hydratisierung (III), deren relatives Gewicht vom pH-Wert abhängt. Nachgelagert ist das Gleichgewicht zwischen Hydrogencarbonat und Carbonat (II). Ein vollständiges Modell der Reaktionsraten sowie der physikochemischen Eigenschaften wurde zusammengestellt.

Vergleich der berechneten Gasgehalte
Abb. 3: Vergleich der berechneten Gasgehalte mit (links) und ohne (rechts) Reaktion (Begasung mit CO₂ bzw. N₂).

In Euler-Euler Simulationen wurden verschiedene Modelle für den Enhancement Faktor betrachtet und mit experimentellen Messungen an einer Blasensäule verglichen. Ein Vergleich der berechneten Gasgehalte mit (links) und ohne (rechts) Reaktion (Begasung mit CO₂ bzw. N₂) ist in der Abbildung 3 dargestellt. Weitere Untersuchungen zur Modellvalidierung befinden sich in Arbeit.

Auf diesen Ergebnissen aufbauend sollen zukünftig auch reversible Reaktionen sowie Parallel- und Folgereaktionen untersucht werden. Hierbei steht die Problematik der Selektivität zwischen verschiedenen Reaktionsprodukten im Zentrum. Auf der Skala der Blasensäule wird diese durch das Verhältnis der Zeitskalen von Reaktion und Vermischung bestimmt.

Veröffentlichungen:

  1. R. Rzehak,
    Modeling of Mass-transfer in bubbly flows encompassing different mechanisms,
    Chemical Engineering Science 151 (2016), 139–143.
  2. R. Rzehak, E. Krepper,
    Euler-Euler simulation of mass-transfer in bubbly flows,
    Chemical Engineering Science 155 (2016), 459–46.
  3. R. Rzehak, S. Kriebitzsch, E. Krepper,
    Euler-Euler modeling of hydrodynamics and mass-transfer in bubbly flows,
    Proc. 9th International Conference on Multiphase Flow (ICMF2016), Firenze, Italy, 2016.
  4. J. Parekh, R. Rzehak,
    Euler-Euler multiphase CFD-simulation with full Reynolds-stress model and anisotropic bubble-induced turbulence,
    International Journal of Multiphase Flow 99 (2018), 231-245.
  5. M. Krauß, R. Rzehak,
    Reactive absorption of CO₂ in NaOH: Detailed study of enhancement-factor models,
    Chemical Engineering Science 166 (2017), 193–209.
  6. M. Krauß, R. Rzehak,
    Reactive absorption of CO₂ in NaOH: An Euler-Euler simulation study,
    Chemical Engineering Science 181 (2018), 199–214.
  7. R. Rzehak, M. Krauß,
    Modeling of fluid dynamics, mass transfer, and chemical reaction in bubbly flows,
    Proc. 12th International Conference on CFD in Oil & Gas, Metallurgical and Process Industries (CFD2017), Trondheim, Norway, 2017.
  8. Rzehak, R.,
    Euler-Euler modeling of reactive flows in bubble columns,
    In: M. Schlüter et al (Eds.) Reactive Bubbly Flows, Springer, 2021, 441–457.
  9. Kappelt, C., Rzehak, R.,
    Investigation of Fluid-dynamics and Mass-transfer in a bubbly mixing layer by Euler-Euler simulation,
    Chemical Engineering Science, 2022, 264, 118147.
  10. Khan, H., Lehnigk, R., Rzehak, R.
    Euler-Euler simulation of absorption and desorption in co- and counter-current bubble column flows,
    Chemical Engineering Science, 2023, 267, 118313.