Untersuchung des Gasgehaltes von Blasensäulen bei hohen Gasgeschwindigkeiten

In der chemischen Industrie werden Blasensäulen neben Rühr­kessel­reaktoren, Boden- und Packungs­kolonnen und Sprühtürmen als Gas-Flüssig-Kontakt­apparate eingesetzt. Bei der Auslegung stellt der Gasgehalt eine zentrale hydrodynamische Betriebs­größe dar, deren Kenntnis zur Be­schrei­bung der Verweilzeit des Gases in der Flüssigkeitssäule sowie des Stoff­übergangs zwischen Gas- und Flüssigphase benötigt wird. Zahlreiche experimentelle Studien untersuchen die Regime der homogenen und hetero­genen Blasenströmung bei Gas­leer­rohr­ge­schwin­dig­keiten bis maximal 0,4 m/s. Veröffentlichte Korrelationen zur Vorhersage des Gasgehalts, die an diese Ver­suchs­daten angepasst wurden, sind auch nur für diese Strö­mungs­re­gi­me gültig. [1]

Am Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik ist mit dem Aufbau eines Mehrphasenversuchsstands eine Blasensäule mit 0,3 m Durchmesser und einer Gesamthöhe von bis zu 5,5 m verfügbar. In dieser Blasensäule können einerseits Untersuchungen zur Bestimmung des Gasgehalts bzw. der Höhe der Zweiphasenschicht mit Luft als Gasphase und ver­schiedenen Flüs­sig­keiten bei hohen Gas­leer­rohr­ge­schwin­dig­keiten größer 0,4 m/s durch­ge­führt werden. Andererseits kann in der Blasensäule auch Stoff­übergang, genauer gesagt der Sauerstoffgehalt in Wasser an verschiedenen Messstellen erfasst werden.

Experimentelle Untersuchung

Im Rahmen vorangehender Untersuchungen wurden als Flüssigkeit variierende Mischungen von Wasser und 72,7 % Invertzuckerlösung vorgelegt, um gezielt die fluiddynamischen Stoffeigenschaften, allen voran die Viskosität, zu variieren. Der Gasgehalt an Luft wurde bei Gasleerrohrgeschwindigkeiten von bis zu 1,2 m/s gemessen. Die Ergebnisse zeigen gerade bei Gas­leer­rohr­ge­schwin­dig­keiten größer als 0,4 m/s eine veränderte Abhängigkeit des Gasgehalts von der Gas­leer­rohr­ge­schwin­dig­keit.

Korrelation zur Vorhersage des Gasgehalts

Ein Vergleich der gewonnenen Messdaten mit verschiedenen Korrelationen zur Vorhersage des Gasgehalts in Blasenströmungen zeigt deutliche Abweichungen, einige Korrelationen bilden jedoch die Tendenzen für die heterogene Blasenströmung gut ab. Basierend auf dem semi-empirischen Ansatz von Bach und Pilhofer 1977 [2] wurde deren Kennzahlengleichung modifiziert und an die Versuchsdaten angepasst. Mit der modifizierten Kennzahlengleichung lassen sich die gemessenen Gasgehalte in der heterogenen Blasenströmung für variierende Stoffeigenschaften mit einer Abweichung von maximal ± 20 % abbilden.

[1] N. Kantarci, F. Borak und K. Ulgen: Bubble column reactors. Process Biochem. 2005, 40 (7), 2263-2283. doi 10.1016/j.procbio.2004.10.004
[2] H. Bach und T. Pilhofer: Einfluss verschiedener Stoff- und Betriebsgrößen auf den relativen Gasgehalt in Blasensäulen. Chem. Ing. Tech. 1977, 49 (5), 435. doi 10.1002/cite.330490515