Contact

Dr. Markus Schubert
Experimental Thermal Fluid Dynamics
m.schubertAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2627
Fax: +49 351 260 - 2383

Einfluss von Katalysatorpartikeln auf die Hydrodynamik von Suspensionsblasensäulen

Die meisten Gas-Flüssig-Reaktionsprozesse in Blasensäulen erfolgen unter Einsatz von Katalysatoren, die suspendiert als Feststoffpartikel vorliegen. Ein prominentes Beispiel dafür ist die Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung flüssiger Kraftstoffe aus Synthesegas.

Die energetische Optimierung solcher energieintensiver Prozesse erfordert die bestmögliche Nutzung der eingetragenen Kompressionsenergie für die Gasphase (Phasengrenzfläche, Phasenkontakt) unter Berücksichtigung des Einflusses von Katalysatorpartikeln. Zur Visualisierung und Aufklärung der Strömungsprozesse in Suspensionsblasensäulen wird die am HZDR entwickelte ultraschnelle Röntgentomographie als nichtinvasives Bildgebungssystemen für die dynamischen Strukturen in partikelbeladenen Zweiphasenströmungen eingesetzt.



Im Rahmen der Untersuchungen wurden Experimente bei verschiedenen Partikelbeladungen durchgeführt und aus der Gasverteilungsstruktur, Gasgehalte und Blasengrößenverteilungen extrahiert. Dabei wurden gegenläufige Partikeleffekte hinsichtlich der Stabilisierung bzw. Destabilisierung der Dreiphasenströmung nachgewiesen, bei der die Partikelkonzentration das bestimmende Maß ist. Dies konnte durch den Nachweis der Umschlagpunkte zwischen Koaleszenz- und Zerfallsregime anhand der Blasengrößenverteilungen gezeigt werden.



Bei geringen Partikelkonzentrationen lagern sich die Partikel stabilisierend an der kugelförmigen Blasenoberfläche an. Bei vollständiger Belegung der Gasblasenoberfläche (ca. 5 % Feststoffanteil) bilden die weiter zugesetzten Partikel mit der Flüssigkeit ein Gemisch erhöhter partikelinduzierter Scheinviskosität, die die Gasblasenkoaleszenz erhöht und zur Ausbildung des heterogenen Strömungsregimes führt. Ab einem Feststoffanteil von ca. 20 % nehmen die Wechselwirkungen zwischen den suspendierten Partikeln und den Gasblasen derart zu, dass Großblasen wieder zerfallen und sich die für den Stofftransport förderliche Phasengrenzflächendichte wieder erhöht.

Aus den Untersuchungsergebnissen lässt sich außerdem ableiten, dass Suspensionsblasensäulen aufgrund der auftretenden dualen hydrodynamischen Effekte nicht ersatzweise durch ein Zweiphasensystem mit erhöhter molekularer Viskosität beschrieben werden können, sondern Dreifluid-Modelle erforderlich sind.

Referenzen

  • S. Rabha, M. Schubert, U. Hampel (2014).
    Regime transition in viscous and pseudo viscous systems: A comparative study.
    AIChE Journal 60, 8, 3079-3090.
  • S. Rabha, M. Schubert, U. Hampel (2013).
    Hydrodynamic studies in slurry bubble columns: Experimental and numerical study.
    Chemie Ingenieur Technik 85, 7, 1092-1098.
  • S. Rabha, M. Schubert, M. Wagner, D. Lucas, U. Hampel (2013).
    Bubble size and radial gas hold-up distributions in a slurry bubble column using ultrafast electron beam X-ray tomography.
    AIChE Journal 59, 5, 1709-1722.
  • S. Rabha, M. Schubert, U. Hampel (2013).
    Intrinsic flow behavior in a slurry bubble column: A study on the effect of particle size.
    Chemical Engineering Science 93, 401-411.


Contact

Dr. Markus Schubert
Experimental Thermal Fluid Dynamics
m.schubertAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2627
Fax: +49 351 260 - 2383