Logo Leibniz Universität Hannover
Logo: Institut für Mehrphasenprozesse/Leibniz Universität Hannover
Logo Leibniz Universität Hannover
Logo: Institut für Mehrphasenprozesse/Leibniz Universität Hannover
  • Zielgruppen
  • Suche
 

Berechnen des Strömungsfeldes und des Stoffaustausches in dreiphasigen Blasensäulen

 

 Dr.-Ing. D. Wiemann

 

Dreiphasig betriebene Blasensäulenreaktoren werden in zahlreichen chemischen und biotechnischen Prozessen eingesetzt. Für die Dimensionierung derartiger Reaktoren werden überwiegend eindimensionale, auf empirischen oder halbempirischen Modellen beruhende Berechnungsmethoden verwendet.
Das beantragte Forschungsprojekt hat zum Ziel, das Strömungsfeld und die Blasengrößenverteilung in dreiphasig betriebenen Blasensäulen auf numerischem Wege zu berechnen. Dabei wird neben dem Stofftransport in der flüssigen Phase eine heterogene katalytische Reaktion an der Oberfläche von suspendierten Feststoffpartikeln berücksichtigt. Der Impuls- und Stofftransport wird in der flüssigen Phase unter Berücksichtigung der lokalen Phasengrenzfläche der dispergierten gasförmigen Phase berechnet. Dazu wird die Blasenanzahldichte mit einer Populationsbilanzgleichung beschrieben. Der Zerfall und die Koaleszenz von Blasen werden in der dreiphasigen Strömung mit Hilfe eines physikalisch begründeten und experimentell überprüften Modells berücksichtigt. Aus der numerischen Lösung der Populationsbilanz werden die Blasengrößenverteilungen berechnet und eine Transportgleichung für den mittleren Blasendurchmesser erhalten. Für das numerische Berechnen des dreiphasigen Strömungsfeldes wird ein Euler-Euler-Verfahren angewendet, mit dem hohe Blasenanzahldichten und hohe Gasleerrohrgeschwindigkeiten zu berücksichtigen sind. Als Ergebnis werden die dreidimensionalen, zeitveränderlichen Felder der Phasenanteile, der Geschwindigkeiten und der Konzentrationen erhalten.
Für die Dimensionierung von Blasensäulen muß die Dispersion in der Flüssig- und der Gasphase berücksichtigt werden. Für eine zweiphasig betriebene Blasensäule ist die dispersive Ausbreitung eines Spurstoffs in der Flüssigphase in Bild 1 dargestellt. Der Spurstoff wird pulsförmig am Kopf der Säule in die Flüssigkeit dosiert.

 

Bild 1: Ausbreitung eines Tracers in der Flüssigphase

Der Spurstoff wird zunächst in der Nähe der Wand nach unten transportiert. Für zunehmende Zeit erfolgt eine gleichmäßige Verteilung des Spurstoffs in axialer und radialer Richtung.