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Dr. Markus Schubert

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Zweiphasenströmung in statischen Mischern

Dispersive gas-liquid mixing in static mixers

Einer der häufigsten Prozesse der chemischen Industrie ist das Dispergieren und Lösen von Gas in Flüssigkeiten. Wachsendes Interesse der chemischen Industrie an Konzepten zur Prozessintensivierung in den letzten Jahren haben statische Mischer zu einer Alternativen zu klassischen Kontaktapparaten wie Rührkessel und Blasensäulen werden lassen. Statische Mischer sind vor allem durch ihren geringen Platzbedarf, geringe Equipment- und Instandhaltungskosten und eine enge Verweilzeitverteilung bei der Erzeugung hoher Phasengrenzflächen gekennzeichnet. Anwendungsbeispiele statischer Mischer für disperses Mischen von Gas in Flüssigkeiten sind Ozonierungsprozesse bei der Abwasserbehandlung, Gaswäschen zur Abtrennung von Ammoniak,  Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoff oder Hydrogencyanid sowie Hydrier- und Oxidationsprozesse.

Die disperse Vermischung und die Grenzflächenproduktion resultieren aus dem ständigen Aufteilung und Zusammenführen von Teilströmen durch eine Serie von Strömungshindernissen, die beträchtliche Beschleunigungen erzeugen und intensiven Phasenkontakt realisieren. Zukünftig wird eine sorgfältige Optimierung der Strömungs- und Designparameter nur mithilfe von CFD-Simulationen möglich sein. Die dafür notwendigen Validierungsdaten sind bisher jedoch kaum verfügbar.

Entwicklung der Blasengrößenverteilung und der Gas-Flüssig-Strömungsmorphologie entlang helikaler statischer Mischerelemente
Abb.1: Entwicklung der Blasengrößenverteilung und der Gas-Flüssig-Strömungsmorphologie entlang helikaler statischer Mischerelemente

Im Rahmen dieser Arbeiten wurde die turbulente Dispersion einer aufwärtsgerichteten Gas-Flüssig-Rohrströmung mit eingebauten statischen Mischern bestehend aus helikalen Strukturelementen mithilfe der ultraschnellen Röntgentomographie untersucht. Die Bildgebungstechnik erlaubt die Visualisierung der Gas-Flüssig-Strömungsstrukturen innerhalb der Mischerelemente mit hohem Detaillierungsgrad. Neben der Anzahl an Mischerelementen wurde insbesondere der Einfluss von Betriebsparametern auf die Blasengrößenverteilung, die Gasholdup-Profile und die spezifische Phasengrenzfläche oberhalb und unterhalb der Mischerelemente untersucht und mit Druckverlust und Energieeintrag korreliert.

Vergleichende Analyse experimenteller Daten und komplementärer Berechnungen mithilfe numerischer Mehrphasenströmungssimulation
Abb.2: Vergleichende Analyse experimenteller Daten und komplementärer Berechnungen (Gasholdup and Gasphasengeschwindigkeit) mithilfe numerischer Mehrphasenströmungssimulation (Computational Fluid Dynamics/CFD).

Zusätzlich wurde die Gas-Flüssig-Strömung in helikalen statischen Mischern mithilfe numerischer Mehrphasenströmungssimulationen (CFD) mit einem Euler-Euler-Ansatz untersucht. Für eine verbesserte Vorhersage des Vermischungsprozesses werden zukünftige Modelle für die Beschreibung von Blasenkoaleszenz und -zerfall sowie blaseninduszierte Turbulenz implementiert.

References

  • S. Rabha, M. Schubert, F. Grugel, M. Banowski, U. Hampel
    Visualization and quantitative analysis of dispersive mixing by a helical static mixer in upward co-current gas-liquid flow
    Chemical Engineering Journal 262, 527-540 (2015)
  • F. Zidouni, E. Krepper, R. Rzehak, S. Rabha, M. Schubert, U. Hampel
    Simulation of gas-liquid flow in a helical static mixer
    Chemical Engineering Science 137, 476-486 (2015)