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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“ [5], sowie einem DFG-Projekt in Kooperation mit der Otto-von-Guerike Universität Magdeburg untersucht.

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 [1-2,6-7] sowie den turbulenten Stofftransport und die Mikrovermischung unter Berücksichtigung der Blasen-induzierten Turbulenz benötigt.
Im Fall schneller Reaktionen ist ein Modell für den Enhancement-Faktor [3-4] 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.

Zuletzt wurde eine Methode entwickelt, um im Rahmen einer Populationsbilanz auch die Veränderung der mittleren Konzentration der Blasen im Verlauf des Ab- oder Desporptionsprozesses zu erfassen [8].

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. M. Krauß, R. Rzehak,
    Reactive absorption of CO₂ in NaOH: Detailed study of enhancement-factor models,
    Chemical Engineering Science 166 (2017), 193–209.
  4. M. Krauß, R. Rzehak,
    Reactive absorption of CO₂ in NaOH: An Euler-Euler simulation study,
    Chemical Engineering Science 181 (2018), 199–214.
  5. Rzehak, R.,
    Euler-Euler modeling of reactive flows in bubble columns,
    In: M. Schlüter et al (Eds.) Reactive Bubbly Flows, Springer, 2021, 441–457.
  6. Kappelt, C., Rzehak, R.,
    Investigation of Fluid-dynamics and Mass-transfer in a bubbly mixing layer by Euler-Euler simulation,
    Chemical Engineering Science 264 (2022), 118147.
  7. Khan, H., Lehnigk, R., Rzehak, R.,
    Euler-Euler simulation of absorption and desorption in co- and counter-current bubble column flows,
    Chemical Engineering Science 267 (2023), 118313.
  8. Khan, H., Lehnigk, R., Rzehak, R.,
    Tracking changes in bubble composition during mass transfer in Eulerian multiphase CFD simulations using a class method,
    Chemical Engineering Science 306 (2025), 121138.