Skalenübergreifende Transportprozesse in Mehrphasenströmungen

In der Verfahrenstechnik kommen häufig Mehrphasenströmungen zur Anwendung, bei denen eine oder mehrere flüssige, feste oder gasförmige Stoffe als Partikel in einer Flüssigkeit verteilt vorliegen. Als Beispiel seien Oxidationen, Hydrierungen, Chlorierungen, Fermentationen oder auch die biologische Abwasserreinigung genannt. Die technische Herausforderung bei der Handhabung von Mehrphasenströmungen besteht in der möglichst homogenen Verteilung der dispersen Phasen, die häufig große Dichteunterschiede untereinander und gegenüber der kontinuierlichen Phase aufweisen. Zudem gilt es den Stoffübergang und Stofftransport über und entlang der Phasengrenzen zu intensivieren.
In der Publikation werden exemplarisch einige skalenübergreifende Zusammenhänge beschrieben und in einen Gesamtzusammenhang gebracht. Hierbei erfolgt zunächst eine Einführung in die generelle Problematik skalenübergreifender Transportprozesse. Anschließend werden am Beispiel der Berechnung von Schlaufenreaktoren zunächst integrale Methoden zur Beschreibung von Mehrphasenprozessen erläutert. Im folgenden Abschnitt werden Erkenntnisse zu lokalen Phänomenen in Mehrphasenströmungen vorgestellt, die eine physikalisch begründete Modellierung der sich makroskopisch auswirkenden Effekte erlauben. Hierfür wird auf der Mesoskala das Aufstiegsverhalten von Einzelblasen und Blasenschwärmen betrachtet und im Zusammenhang mit der Bewegung von Feststoffpartikeln untersucht. Die ermittelten Zusammenhänge erlauben eine physikalisch begründete Modellierung der Hydrodynamik in Schlaufenreaktoren.
Erkenntnisse zum Stofftransport um frei aufsteigende Gasblasen auf der Mesoskala erlauben schließlich die exaktere Modellierung von Stofftransportprozessen in Mehrphasenströmungen ohne und mit dem Einfluss von Feststoffpartikeln. Im Folgenden werden Vermischung und Reaktionen auf der Mikroskala beschrieben wofür Untersuchungen an Mikromischern herangezogen werden, die eine sehr definierte Mikrovermischung ermöglichen. Mit Hilfe lokal aufgelöster Strömungs- und Konzentrationsfelder in Mikromischern gelingt ein Einblick in Mikrovermischungsprozesse jenseits der Skala kleinster Turbulenzwirbel. Durch Visualisierung des Reaktionsproduktes kann der Reaktionsverlauf in Mikromischern unter sehr definierten Bedingungen verfolgt und einer Modellierung zugänglich gemacht werden. Abschließend werden die Erkenntnisse aus der Mikro-, Meso- und Makroskala zusammengeführt und anhand eines praktischen Beispiels verdeutlicht. Hierbei zeigt sich, dass die Ausbeute einer chemischen Reaktion durch gezielte Nutzung skalenübergreifender Transportprozesse deutlich gesteigert werden kann.