Dispergieren von Gasen in hochviskosen Flüssigkeiten mit SMX-Mischern

Das Dispergieren von Gasen ist eine wichtige verfahrenstechnische Grundoperation, bei der zusätzlich zur Zerteilung der einzelnen Blasen eine Homogenisierung der gelösten Gase erfolgt. Beide Vorgänge werden durch eine hohe Viskosität der Flüssigkeit erschwert: Die Vermischung der gelösten Gase erfolgt auf molekularer Ebene nur langsam durch Diffusion und die Zerteilung der einzelnen Gasblasen durch viskose Kräfte ist durch das niedrige Viskositätsverhältnis zwischen der dispersen und der kontinuierlichen Phase erheblich beeinträchtigt.

Für diese schwierige Misch- und Dispergieraufgabe werden als Alternative zu dynamischen Mischern häufig SMX-Mischer eingesetzt. Die Auslegungsbasis von SMX-Mischern für diesen Anwendungsfall ist jedoch unklar und beruht teilweise auf Erkenntnissen aus der Zerteilung von Einzelblasen in stationären, homogenen Strömungsfeldern. Hierbei handelt es sich um Bedingungen, die in einem technischen Mischapparat nicht vorzufinden sind. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit das Dispergieren von Gasen in hochviskosen Flüssigkeiten mit SMX-Mischern untersucht, indem die drei folgenden Aspekte grundlegend betrachtet werden:

- Analyse des einphasigen, laminaren Strömungsfelds in SMX-Mischern mit Hilfe der Strömungssimulations-Software FLUENT und Ermittlung einer für strukturviskose Fluide universell gültigen Druckverlustcharakteristik.
- Experimentelle und numerische Untersuchung der Deformation und Zerteilung kugelförmiger Einzelblasen in SMX-Mischern: Einzelne Blasen werden am effizientesten, d. h. bei niedrigstem Energieeintrag, an den Kreuzungspunkten der Stege zerteilt. Hierfür werden kritische Capillarzahlen ermittelt, bei denen einzelne Blasen mit unterschiedlichen Anfangsdurchmessern gerade zerteilt werden.
- Untersuchung des Gasdispergierens in SMX-Mischern unter Berücksichtigung des Stoffübergangs zwischen der Gas- und der Flüssigkeitsphase: Eine systematische Variation von Geometrie- Stoff- und Betriebsparametern lässt die für einen Gasdispergierprozess relevanten Einflussgrößen erkennen. Die Abhängigkeit des Sauterdurchmessers von diesen Einflussgrößen wird in dimensionsloser Form mit einem empirischen Modell mathematisch beschrieben.

Es resultieren grundlegende Erkenntnisse über den Dispergiervorgang in SMX-Mischern, die eine fundierte Auslegung und Optimierung sowie ein Scale-up von Gasdispergierprozessen in SMX-Mischern ermöglichen.