Bubble columns are multiphase contactors, which are often used for the operation of multiphase reactions. These reactors are characterized by large interfacial areas, intense mixing in the column and dynamic flow structures. For the design of bubble columns numerous empirical correlations for hydrodynamic and mass transfer parameters exist, which however, only cover a specific design range, e.g. column diameter and reaction system. Furthermore, they are often based on integral measurements. High deviations occur especially at moderate and high gas holdup, since fluid dynamics and mass transfer are essentially determined by local effects, which has received little attention so far due to lack of appropriate measurement techniques. For this reason the design of bubble columns is carried out with considerable safety margins. Therefore, bubble columns have a high potential for savings in terms of efficiency and operating costs if the unterstanding of the hydrodynamics and mass transfer in bubble columns is improved.
The fluid dynamics in bubble columns are essentially characterized by the bubble size distribution and with increasing gas holdup by enhanced bubble interaction, which leads to intense motion in the liquid phase. A cross-scale study of the fluid dynamics is necessary to better understand the factors influencing the global fluid dynamics and to optimize the design of bubble columns. The major limitations in the experimental investigation of dense bubbly flow are the available measurement techniques. As the fraction of the dispersed phase increases, the optical accessibility decreases and limits the selection of appropriate measurement techniques.
This work deals with the experimental study of fluid dynamics and mass transfer with chemical reaction using tomographic measurement techniques. The experiments were performed in a cylindrical bubble column with 0.10 m inner diameter. The gas phase fluid dynamics were studied by means of ultrafast X-ray computed tomography (UFXCT). Additionally, the minimally intrusive wire-mesh sensor was qualified to assess chemical species concentrations during chemical absorption of CO2 and to derive local mass transfer related parameters.
Among the global description of the fluid dynamics also local parameters of the dispersed phase were extracted. Advanced post-processing algorithms for ultrafast X-ray CT data allow a more accurate determination of the Sauter diameter and interfacial area due to the extraction of the bubbles surface area. The interaction of bubbles within dense bubbly flow was studied by determining and evaluating distance parameters of the bubbles. Based on that, the near order of bubbles was studied and conclusions on their preferential arrangement in dense bubbly flows were derived.
Furthermore, the fluid dynamics and mass transfer were studied in the presence of a chemical reaction. For this purpose experiments on the chemical absorption of CO2 in sodium hydroxide solution were performed at various gas flow rates and initial pH values of the solution. The change of the fluid dynamics and the conversion of the chemical species is analyzed for different experimental conditions. A core topic of the present work is the determination of concentration of a chemical species during chemical absorption of CO2. Within this work, the wire-mesh sensor was qualified for this new field of application and was used to determine cross-sectional data of the species conversion. Through combined use of the wire-mesh sensor and ultrafast X-ray CT an extensive data base on the chemical absorption of CO$_2$ was obtained, which can be used for numerical validation of bubbly flows with gas holdups < 0.17 / Blasensäulen sind in der chemischen Industrie sehr häufig genutzte Kontaktapparate für die Durchführung von Mehrphasenreaktionen. Sie zeichnen sich durch eine hohe Gas-Flüssig-Aus-tauschfläche, starke Vermischung und dynamische Strömungsstrukturen aus. Bisher basiert die Auslegung von Blasensäulen vorrangig auf empirischen Korrelationen. Hohe Abweichungen dieser Korrelationen treten vor allem bei moderaten und hohen Gasgehalten auf, da die Fluiddynamik und der Stofftransport wesentlich durch lokale Effekte bestimmt sind, die bisher aufgrund fehlender Messtechnik nur wenig Beachtung finden. Aus diesem Grund erfolgt die bisherige Auslegung von Blasensäulenreaktoren mit erheblichen Sicherheitszuschlägen. Daraus lässt sich ableiten, dass Blasensäulen in Bezug auf deren Effizienz und die Höhe der Betriebskosten ein enormes Einsparungspotential aufweisen, wenn das Verständnis von Hydrodynamik und Stofftransport in Blasensäulen verbessert wird.
Die Fluiddynamik in Blasensäulen wird wesentlich durch die Blasengrößenverteilung und bei steigendem Gasgehalt durch die durch zunehmende Blaseninteraktion induzierte Flüssigkeitsbewegung charakterisiert. Eine skalenübergreifende Untersuchungen der Fluiddynamik ist erforderlich, um die Einflussfaktoren der globalen Fluiddynamik besser verstehen zu können und die Auslegungsgleichungen optimieren zu können. Die größte Limitierung der experimentellen Untersuchung von dichten Blasenströmung stellt die verfügbare Messtechnik dar. Mit zunehmenden Anteil der Dispersphase nimmt die optische Zugänglichkeit ab und schränkt die Möglichkeiten bei der Auswahl geeigneter Messtechniken ein.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung der Fluiddynamik und des Stofftransports bei chemischer Reaktion mit Hilfe tomographischer Messverfahren. Die Experimente wurden in einer zylindrischen Blasensäule mit 0,10 m Durchmesser durchgeführt. Die Fluiddynamik der Gasphase wurde mit Hilfe der ultraschnellen Röntgen-Computertomographie (UFXCT) untersucht. Zusätzlich wurde der minimal-intrusive Gittersensor qualifiziert, um die Konzentrationen einer relvanten chemischen Spezies während der chemischen Absorption von CO2 zu bestimmen und stofftransportbezogene Parameter auf lokaler Ebene berechnen.
Neben der räumlich und zeitlich gemittelten Beschreibung der Fluiddynamik wurden auch lokale Parameter der dispersen Phasen bestimmt. Fortgeschrittene Auswertungsalgorithmen ermöglichen eine genauere Berechnung des Sauterdurchmessers und der Phasengrenzfläche durch direkte Bestimmung der Blasenoberfläche. Die Interaktion von Blasen in der dichten Blasenströmung wurde durch die Berechnung von Abstandsparametern untersucht. Dies ermöglicht die Analyse der Nahordnung von Blasen und lässt damit Rückschlüsse auf deren bevorzugte Anordnung in dichten Blasenströmungen zu.
Darüber hinaus wurden die Fluiddynamik und zum Stofftransport in Gegenwart einer chemischen Reaktion untersucht. Dazu wurden Experimente zur chemischen Absorption von CO2 n Natronlauge in der Blasensäule bei verschiedenen Gasdurchsätzen und unterschiedlichen initialen pH-Werten der Lösung durchgeführt. Die Veränderung der Fluiddynamik der Gasphase und die Umwandlung der chemischen Spezies wurden unter verschiedenen Betriebsbedingungen analysiert. Ein Kernthema der Arbeit stellt die Erfassung der Konzentration einer chemischen Spezies während der chemischen Absorption dar. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit der Gittersensor für dieses neue Anwendungsgebiet qualifiziert und eingesetzt, um querschnittsaufgelöste Daten über den Verbrauch der charakteristischen Spezies zu ermitteln. Durch den kombinierten Einsatz der Gittersensormesstechnik und der ultraschnellen Röntgentomographie wurden umfangreiche Daten zur Hydrodnamik und zum Stofftransport während der chemischen Absorption von CO2 erhalten. Diese stellen eine umfassende Datenbasis zur numerischen Validierung von Blasenströmungen mit Gasgehalten bis zu 17% dar.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:86524 |
| Date | 21 July 2023 |
| Creators | Kipping, Ragna |
| Contributors | Hampel, Uwe, Schlüter, Michael, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | info:eu-repo/grantAgreement/Deutsche Forschungsgemeinschaft/Schwerpunktprogramm 1740 'Reaktive Blasenströmungen/HA3088/8-1, HA3088/8-2/ |
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