Experimental Investigation and Modeling of Local Mass Transfer Rates in Pure and Contaminated Taylor Flows (2. Förderperiode)

In der Natur und vielen technischen Anwendungen kommt dem gezielten Transport von Molekülen von einer Phase in eine andere Phase eine große Bedeutung zu, da hierdurch Ausbeute und Reinheit bestimmt werden. Zur Untersuchung dieser Zusammenhänge sind Taylorströmungen besonders geeignet, in denen abwechselnd definierte Gasblasen und Flüssigkeitspfropfen durch eine transparente Kapillare strömen. Dieses Projekt liefert eines von zwei LEITEXPERIMENTEN, die im SPP1506 zur Gewinnung von Messdaten für die numerisch arbeitenden Gruppen definiert wurden. Hierfür wurde ein Versuchsaufbau mit Brechungsindexanpassung und speziellem Blasengenerator zur sehr definierten Erzeugung von pulsationsfreien Taylorströmungen entwickelt. In der ersten noch laufenden Förderperiode werden hochaufgelöste Messdaten der Geschwindigkeit im Flüssigkeitspfropfen und im Flüssigkeitsfilm einer vertikalen Taylorströmung innerhalb einer 2mm Glaskapillare mit quadratischem Querschnitt gewonnen. Hierfür wird ein Mikro Particle Image Velocimetry System an den Versuchsaufbau mit vertikaler Kapillare angepasst. Für das LEITEXPERIMENT-Scenario mit einer Wasser/Glycerol Lösung und Luft stimmen die gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten im Flüssigkeitspfropfen und im Flüssigkeitsfilm gut mit den numerischen Simulationen der Arbeitsgruppen am KIT (M. Wörner) und an der RWTH (A. Reusken) überein. Es kann gezeigt werden, dass die Annahme einer frei beweglichen Grenzfläche mit Wandhaftbedingung eine zulässige Vereinfachung für dieses Szenario darstellt. Weiterhin wurde ein konfokales Laserscanning Mikroskop (CLSM) an die vertikale Kapillare angepasst, welches einzigartige Messungen von Konzentrationen des gelösten O2 und CO2 in der Taylorströmung erlaubt. Diese Messungen stellen eine unabdingbare Voraussetzung für das LEITEXPERIMENT der zweiten Förderperiode dar. Weiterhin kann exemplarisch gezeigt werden, dass die Vermessung der Konzentrationsverteilung von Tensiden auf der Gas-flüssig-Grenzfläche mit einem CLSM möglich ist. Damit werden Untersuchungen des Einflusses von grenzflächenaktiven Substanzen auf den lokalen Stofftransport in Gas-flüssig-Taylorströmungen für die zweite Förderperiode des SPP 1506 möglich. Hierfür wird eine vertikale Kapillare mit einem Durchmesser von 6 mm x 6 mm verwendet werden, die eine Anströmung der Blasen im Gegenstrom erlaubt. Mit dem Gegenstrom sind eine örtliche Fixierung der Blasen sowie die Einstellung einer konstanten Konzentration von O2 und CO2 in der Anströmung erreichbar. Mit Hilfe der Standard PIV sowie der Laser Induzierten Fluoreszenz können dann dreidimensionale Strömungs- und Konzentrationsfelder im Flüssigkeitspfropfen gescannt werden. Im Flüssigkeitsfilm kommen die μPIV sowie die CLSM zur Anwendung, die bereits in der ersten Förderperiode erfolgreich eingesetzt wurden. Durch neue Messmethoden werden dem SPP 1506 solide Daten zur Validierung geliefert, die neue Einsichten in Transportprozesse an fluiden Phasengrenzen erlauben.

Publikationen

• Kastens, Sven; Hosoda, Shogo; Schlüter, Michael; Tomiyama, Akio: Mass Transfer from Single Taylor Bubbles in Minichannels. Chemical Engineering & Technology, 38(11): S. 1925–1932, 2015. , DOI: 10.1002/ceat.201500065, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ceat.201500065/abstractSpecial Issue: "Multiscale Multiphase Process Engineering", Hamburg, 2014.