Visualisierung und Quantifizierung von Makro- und Mikromischen in einem Flüssig/Flüssig-System
Year: 2018
Type: dissertation
Abstract: Im Fokus dieser Arbeit liegt die Entwicklung und Erprobung einer neuartigen Methode zur Visualisierung und Quantifizierung von Makromischen und Mikromischen in einem Flüssig/Flüssig-System mit relativ kostengünstigen Einsatzstoffen für v. a. großskalige Anlagen. Es wird das Homogenisieren von zwei ineinander löslichen Flüssigkeiten mit chemischer Reaktion untersucht. Die Anwendung der Methode wird dabei vorrangig unter laminaren Strömungsbedin-gungen und mit einem Mischapparat analog einem statischen Mischer vom Typ SMX durchgeführt. Wie bei großskaligen Anwendungen üblicherweise angestrebt, wird als Modellfluid Wasser verwendet. Die Untersuchung erfolgt primär mittig in der vertikalen Ebene und mit einem planaren laser-optischen Messsystem, um die Strömung nicht zu beeinflussen und eine hohe örtliche und zeitliche Auflösung zu realisieren. Verwendet wird dazu die Two-Tracer Planare Laser-Induzierte Fluoreszenz (2T-PLIF). Damit werden die Konzentration des fluoreszierenden, pH-Wert-unabhängigen Tracers Pyridin 2 sowie gleichzeitig eine Neutralisationsreaktion durch den fluoreszie-renden, pH-Wert-abhängigen Tracer Uranin visualisiert. Das Konzentrationsfeld des Pyridin 2 charakterisiert dabei das Makromischen, das aus der Fluoreszenzintensität des pH-Indikators Uranin ermittelte pH-Wert-Feld das Makro- und das Mikromischen. Nach Normalisierung dieser Felder wird daraus der Deviationsgrad als Indikator für das Mikromischen selbst bestimmt. Zudem werden aus den Konzentrationsfeldern der Segregationsindex zur Bestim-mung der Mischgüte und die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion zur Charakterisierung des Vermischungszustandes der reaktiven Strömung berechnet und mithilfe einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) charakteristische Frequenzen der durch den Mischer induzierten Strömungsstrukturen ermittelt. Ferner werden simultan Messungen mit Particle Image Velocimetry (PIV) zur Charak-terisierung der Geschwindigkeitsfelder der Strömung realisiert und mittels Proper Orthogonal Decomposition (POD) Zusammenhänge zwischen Konzentrations- und Geschwindigkeitsfeld untersucht. Zur Erprobung der Methode und um die Nutzung dieser einem breiten Spektrum von technischen Anwendungen ermöglichen zu können, werden zusätzlich weitergehende Untersuchungen für realtypische Konfigurationen mit mehreren in Reihe geschalteten, jeweils um 90° gedrehten Mischerelementen sowie turbulentes Freistrahlmischen durchgeführt. Außerdem werden Messungen in der horizontalen Mittelebene reali-siert. Die neuartige Methode zur Charakterisierung von Makro- und Mikromischen in einem Flüssig/Flüssig-System ist im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und erfolgreich erprobt worden. Dass die Methode funktioniert, wird anhand der Messergebnisse vor allem in Form von Konzentrations- und pH-Wert-Feldern, Deviationsgrad zur Beschreibung des Mikromischens sowie zu deren Analyse durch Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion, Segregationsindex und charakteristische Frequenzen aufgezeigt. Zudem werden die Grenzen der Methode bzw. die Grenzen der verwendeten Konfiguration der Mess-technik aufgezeigt und hinsichtlich ihrer Messunsicherheit abgeschätzt. Die entwickelte Methode leistet einen Beitrag für die experimentelle Untersuchung und Charakterisierung von Makromischen und Mikromischen in einem Flüssig/Flüssig-System für v. a. großskalige Anlagen.
DOI: 10.25673/13841
Author: Lehwald, Andreas
Language: German
Topic: Fluid Dynamics and Mixing
Subfield: Fluid Flow and Transfer Processes
Field: Chemical Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W2946958748