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Tomographische Messung der Dreiphasenströmung in Blasensäulen

 

Dipl.-Ing. Andreas Szentivanyi, MSc.

 

In vielen chemischen und biotechnologischen Prozessen werden Blasensäulen als Reaktoren eingesetzt oder sind Apparate für den Stoffaustausch. Zusätzlich zur zweiphasigen Strömung aus Gasen und Flüssigkeiten können als dritte Phase partikelförmige Feststoffe suspendiert sein. In biotechnologischen Prozessen ist dieser Feststoff z.B. die Biomasse im Fermenter. In chemischen Reaktoren sind Feststoffpartikeln häufig Reaktanden, Reaktionsprodukte oder Katalysatoren.

Der erzielbare Stoffumsatz hängt u.a. von der zur Verfügung stehenden Phasengrenzfläche und der lokalen Phasenverteilung im dreiphasigen System ab. Für zweiphasige Systeme existieren erprobte Berechnungsverfahren. In dreiphasigen Systemen kommt es durch die suspendierten Feststoffpartikeln zu einem veränderten Verhalten von Blasenkoaleszenz und Blasenzerfall. Im Gegensatz zu zweiphasigen Systemen sind diese Vorgänge für dreiphasige Systeme bisher nur unzureichend experimentell untersucht. Es fehlen daher wichtige Informationen für das Erweitern der Berechnungsverfahren auf dreiphasige Systeme.

 

Im Rahmen der experimentellen Arbeiten werden diese fehlenden Informationen gewonnen. In einer dreiphasig betriebenen Blasensäule mit dem Durchmesser 640 mm werden die lokalen Phasenanteile von Gas, Flüssigkeit und Feststoff gemessen. Dazu wird ein Röntgentomograph der dritten Generation verwendet.

Bild: Funktionsprinzip eines Röntgentomographen der 3. Generation

Das Messobjekt wird von verschiedenen Seiten von einem fächerförmigen Röntgenstrahl durchstrahlt. Die Abschwächung des Strahls wird gemessen. Aus diesen Projektionen wird die Verteilung der 3 Phasen in einer Schnittebene durch das Messobjekt rekonstruiert. Die Messungen erfolgen mit Hilfe der Dual-Energie-Röntgentomographie. Dabei wird Röntgenstrahlung mit 2 unterschiedlichen Grenzwellenlängen eingesetzt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Röntgentomographie ermöglicht diese Technik das Unterscheiden aller 3 Phasen. Die Phasenverteilungen werden in mehreren Schnittebenen entlang der Achse der Blasensäule gemessen. Dadurch wird die räumliche Verteilung der 3 Phasen bestimmt. Die rekonstruierten lokalen Phasenanteile sind zeitgemittelt.