Bildung und Koaleszenz von Blasen und Tropfen

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    11-Jun-2016

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  • Bildung und Koaleszenz von

    Fur die Dispergierung steht eine Vielzahl von Einrichtungen zur Verfugung, aus denen je nach stofflichen und betriebli-

    Blasen und Tropfen

    Zentritugal- extroktor be1 Begasungs-

    geringen Oichle- zentrituge turzah differenzen und Fiussigkeiten

    Herrn Professor Dr. Hanns Hofmann zum 65. Geburtstag

    Bildung und Koaleszenz fluider Partikeln sind wesentliche Voraussetzungen fur technische Reaktions- und Austausch- vorgange. Der Beitrag befaRt sich mit der Gas- und Fliissig- keitsdispergierung im Schwerkraft- und Zentrifugalfeld an EinzelGffnungen und an Lochplatten in Flussigkeiten unter- schiedlicher Viskositaten sowie mit der mechanischen Schaumabscheidung und mit der Tropfenabscheidung an ge- neigten Platten. Er faBt hierzu die literaturbekannten und die im Sonderforschungsbereich (SFB) 153 an der Technischen Universitat Munchen gewonnenen Ergebnisse zusammen.

    Eckhart BlaB*

    Formation and coalescence of bubbles and droplets. Gener- ation and coalescence of bubbles and droplets are essential re- quirements for technical reactions and exchange processes. The paper deals with the dispersion of gases and liquids with the aid of single orifices and of sieve plates in liquids of vari- ous viscosities under gravity and centrifugal conditions and furthermore with the mechanical foam separation and with the coalescence of drops on inclined plates. The paper sum- marizes results from the literature as well as from the Sonderforschungsbereich (SFB) 153 at the Technical Univer- sity of Munich.

    1 Einfuhrung

    Sollen ineinander unlosliche fluide Phasenstrome in Reakto- ren odcr Trennapparaten miteinander in Kontakt gebracht werden, um Warme- undloder Stoffaustauschvorgange zu er- moglichen, wird meist eine Phase in Blasen- oder Tropfen- form in die andere dispergiert. Dadurch wird fur den Zeitab- schnitt des Austauschvorganges ein disperses Zweiphasensy- stem mit groRer Beriihrungsflache und mit einem eigentiimli- chen Strbmungsverhalten geschaffen, welches sich danach moglichst problemlos unter der Wirkung der Dichtedifferenz beider Phasen wieder voneinander trennen soll. Diese Ab- scheidung beruht auf dem ZusammenflieBen (Koaleszieren) der fluiden Partikel zu einer zusammenhangenden Phase. Bildung und Koaleszenz fluider Partikel sind also wesentliche Voraussetzungen fur technische Austauschvorgange und de- ren Berechnung, fur beide gibt es eine Vielzahl technischer Realisierungen, die je nach Stoffsystem und Betriebsfuhrung in Frage kommen. Der folgende Beitrag konzentriert sich auf die Gas- und Flussigkeitsdispergierung im Schwerkraft- und im Zentrifugalfeld an Einzeloffnungen und an Lochplatten in Flussigkeiten unterschiedlicher Viskositat sowie auf die me- chanische Schaumabscheidung und auf die Tropfenabschei- dung an gcneigten Platten. E r faBt hierzu die literaturbekann- ten und die im Sonderforschungsbereich 153 an der Techni- schen Universitat Munchen gewonnenen phanomenologi- schen Befunde und Berechnungsmoglichkeiten fur Bildung und Koaleszenz von fluiden Partikeln zusammen.

    2 Bildung von Blasen und Tropfen

    2.1 Untersuchte Dispergiervorgange

    chen Voraussetzungen der Aufgabenstellung eine Auswahl zu treffen ist. Im SFB 153 untersuchte man, wic in Abb. 1 ge- zeigt, aus dieser Vielfalt vornehmlich die Dispergierung am Einzelloch und an Lochplatten und zwar die Gasdispergie- rung in relativ dunnen und in dicken Fliissigkeitsschichten un- ter Variation der Viskositat sowie die Fliissigkeitsdispergie- rung in eine andere, moglichst wenig losliche Flussigkeit. In beiden Fallen variierte man die Feldstarke beginnend vom Erdschwerefeld bis zu Feldstiirken, die an Werte in Industrie- zentrifugen heranreichen. Zur Fliissigkeitsbegasung setzte man auRerdem selbstansaugende Ejektoren ein [1], worauf in diesem Bericht jedoch nicht eingegangen wird. Bei der Gasdispergierung handelte es sich also um Bodenko- lonnen und um einfache Schwerkraft-Blasensaulen fur die Absorption und chemische Reaktion im Druckbereich von 1 bis 100 bar und fur die Fermentation, wobei das zahe, nicht- newtonsche Verhalten von Fermenterbruhen zum Einsatz des

    "I- - n Einzelloch Lochpiatten Ejeklor

    ar / X I / vrr . Flussigkei ten Gosen

    i I

    Einzelloch Lochpiatten Ejeklor

    ar / X I / vrr . Flussigkei ten Gosen

    I I 1 1

    Siebboden- extraktor

    spruhkolonne

    Bodenkolonne fur Sorption und

    Rekii t i kot ion Blosensaulen

    z w ischen 1 und 300 bar

    in dunne Fiussigkeits - schichten

    in dicke Fiussigkeits -

    schichten

    1 turKurzzeitkontokt I I

    Abb. 1. Untersuchte Dispergiervorgange.

    a:.lz

    * Prof. Dr.-lng. E. Blu/3, Lehrstuhl A fur Verfahrenstechnik der Tech- nischcn Universitiit Munchen, Arcisstr. 21, 8000 Munchen 2.

    Chcm.-lng.-Tcch. 60 (1988) Nr. 12, S . 935-947 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1988 0009-28hX/88/1212-093S $ 02.50/0

    935

  • Zentrifugalfeldes anregte und zu einer neuartigen Begasungs- zentrifuge fuhrte. Die Fliissigkeitsdispergierung wurde in Ex- traktoren untersucht. Man begann mit einfachen Tropfensau- len und schritt dann zu Schwerkraft- und Zentrifugalsieb- bodenkolonnen voran, wobei die an Schwerkraftkolonnen gewonnenen Ergebnisse sich als geeignete Basis fur Extraktionskolonnentypen mit andersartiger Energiezufuhr, wie pulsierte und geruhrte Kolonnen, erwiesen [2].

    2.2 Messung der Partikelgro6e

    Es existieren zwei wesentliche MeBprinzipien fur Partikelgro- Ben, die jedoch nicht zu identischen Ergebnissen fiihren kon- nen, namlich die Photographie eines Raumkollektivs zu ei- nern bestirnmten Zeitpunkt in einem mehr oder weniger gro- Ben Langsschnitt des Apparates sowie die Messung eines durch einen kleinen Querschnittsanteil des Apparates hin- durchtretenden Partikelstroms mittels Sondentechniken. Abb. 2 zeigt einen kleinen Langsschnitt durch einen Apparat

    und bildleitende Glasfasersonden (Boroskope, siehe z. B. [ 5 ] ) beobachtet und mit Photoapparat oder Hochgeschwindig- keitskamera photographiert werden. In jedem Fall ist der Aufwand betrachtlich wegen der Notwendigkeit, eine stati- stisch reprasentative Partikelanzahl von etwa 500 je MeB- punkt fur zuverlassige Angaben uber Verteilung und Mittel- wert auszuwerten. Ein beachtliches Fehlerpotential stellt die zweidimensionale Projektion und Auswertung dreidimensio- naler Partikelformen dar, weil insbesondere bei Gas/Flussig- Systemen viele andere Formen neben kugelformigen und el- lipsoidalen Blasen auftreten [6 ] . SchlieBlich ist auf die Unter- schiede zwischen den PartikelgroBenverteilungen in Wandna- he des Apparates, die von einer AuBenphotographie erfaBt werden, und in Kolonnenmitte aufmerksam zu machen. Be- kanntlich treten in Blasensaulen bei hoheren Gasdurchsatzen GroBblasen vermehrt in Achsennahe und Kleinblasen in Wandnahe auf. Doch sind Photographien zumindest in Fallen, wo keine Son- dentechniken einsetzbar sind, wie z. B. in Zentrifugalappara- ten [7, 81, unverzichtbar.

    I rn

    Sonden kop-f /:k

    18512121

    Abb. 2. Vergleich von Photographie und Sondentechnik.

    mit drei verschiedenen Partikelketten. Unter der Annahme gleicher Durchtrittsfrequenz f i ist der Abstand Ahi der Parti- kel nur noch von ihrer axialen Aufstiegsgeschwindigkeit wi abhangig. Damit registriert eine Photographie die Partikelan- zahl umgekehrt proportional der Aufstiegsgeschwindigkeit, wahrend ein Sondentrichter, wie er uber dem Langsschnitt gezeichnet ist, alle einmal entstandenen Partikel einer Mes- sung zufuhrt, wenn er sie nur einfangt und unbeschadet wei- terleitet. Mit fotografischen Methoden bestimmt man also kleinere mittlere Blasendurchmesser als mit Sondentechni- ken. Der relative Unterschied ist jedoch im allgemeinen klei- ner als etwa 20% [3, 41, weil sich die Aufstiegsgeschwindig- keiten im Schwarm in gewissem MaBe nivellieren. Bei Kennt- nis der axialen Aufstiegsgeschwindigkeiten und -frequenzen kann man die Ergebnisse beider MeBprinzipien ineinander umrechnen [l, 41. In jedem Fall ist es angebracht, Blasen- und TropfengroBenmeBergebnisse nicht ohne die verwendete MeBtechnik mitzuteilen [l, 31. Im folgenden sol1 auf einige bedeutsame Einsatzprobleme aufmerksam gemacht werden.

    2.2.1 Partikelgro6enphotographie

    Disperse Zweiphasensysteme konnen sowohl von auBen durch transparente Apparatewande oder durch eingebaute Glasfenster als auch innen im Stromungssystern durch licht-

    2.2.2 Sondenmethoden

    Leitfahigkeits-Nadelsonden werden inzwischen vielfaltig zur gleichzeitigen Messung von BlasengroBen und -geschwindig- keiten eingesetzt (siehe z. B. [9-131). Im SFB 153 wurde die von S. Buhlmann vorgeschlagene und von Todtenhaupt [14] erstmalig untersuchte elektrooptische Methode von Pilhofer und Miller [3] fur Fliissig/Flussig-Systeme sowie von Jekat [l] fur Gas/Flussig-Systeme bis 100 bar zur Anwendungsreife entwickelt und spater von Hirschmann [ 151 fur Fliissig/ Flussig-Systeme mit kleinen Grenzflachenspannungen, von Pietzsch [16] fur pulsierte und von Goldmann [17] fur geruhrte Extraktoren angewendet und modifiziert. Auch andere Ar- beitsgruppen verwendeten diese MeBmethode und setzten sich rnit ihr auseinander wie z. B. [9, 18, 191. GemaB Abb. 3 werden die Partikeln mit Hilfe eines Einlauf-

    Kolonnenwand

    i a L a = 2 m m

    und Vielkanalanalysator

    Signale der Phototransistoren

    Llchtschranke 1

    Lichtschranke 2

    Abb. 3 . Elektrooptische Absaugsonde.

    936 Chem.-1ng.-Tech. 60 (1988) Nr. 12, S. 935-947

  • trichters an einem definierten Ort aus der Stromung heraus- gefangen und zusammen mit kontinuierlicher Flussigkeit durch eine Kapillare hindurch mit konstantem Unterdruck (konstanter Absauggeschwindigkeit) abgesaugt. Die Tropfen- phase darf die Kapillarwand nicht benetzen. In der Kapillare sollen grol3ere Partikeln zu zylindrischen Pfropfen gestreckt werden, damit deren dem Partikelvolumen proportionale Lange mit Hilfe zweier Lichtschranken bestimmt werden kann. Deshalb sol1 der Kapillardurchmesser kleiner als der der Partikel sein und deshalb sind derartige Sonden auf Parti- keldurchmesser groBer als etwa 0,5 mm begrenzt. 1st das Parti- kelgroSenspektrum breit, mu13 man unter Umstanden mehre- re Sonden verschiedener Kapillardurchmesser einsetzen, da zu groBe Partikel bei konstanter Absauggeschwindigkeit in zwei oder mehrere kleine zerrissen werden. Ein umfangreiches Konstruktions- und Betriebswissen ist fur Absaugsonden inzwischen in der Literatur dokumentiert, das die geometrischen Abmessungen der Sonde und die Absaug- geschwindigkeit im Vergleich zur Anstromgeschwindigkeit, die optischen und elektronischen Bauteile und ihre Eigen- schaften u. a. m. betrifft. Fur FlussigiFIussig-Systeme ist die Sondenmethode die beste Losung, solange die Grenzflachenspannung des Stoffsystems etwa SmN/m nicht unterschreitet (bei kleineren Grenzfla- chenspannungen besteht die Gefahr des unkontrollierten Par- tikelzerfalls in der Kapillare). Sie ist inzwischen als vollauto- matisches, computergestutztes MeB- und Auswertesystem im Handel erhaltlich und leistet on-line die Aufnahme einer Grorjenverteilung von etwa 600 Tropfen je Minute. In Blasen- saulen ist die Sondenmethode nicht geeignet, wenn GroBbla- sen und Blasenagglomerate im Kollektiv verstarkt auftreten. Dort wird der EinfluB der Selektion noch durch das Zerschla- gen von GroBblasen am Trichterrand der Sonde verstarkt PI.

    2.2.3 Phasengrenzflache

    Die volumenbezogene Phasengrenzflache a eines dispersen Zweiphasensystems folgt bekanntlich aus der Beziehung')

    A - = a = 6 ~ / d V d P

    AuBer dem Partikeldurchmesser d , bzw. einem reprasentati- ven Mittelwert des Kollektivs mu13 also der Partikelvolumen- anteil E~ als Quotient des Gasvolumens zum Gesamtvolumen des Zweiphasensystems bekannt sein. Beide GroBen, namlich Durchmesser und Volumenanteil der Partikel, sollten fur das gleiche ProzeRvolumen reprasentativ bestimmt werden, um a berechnen zu konnen. Es gibt zahlreiche Merjmethoden fur den Volumenanteil .zd, die z. B. in [20] und der dort zitierten Primarliteratur nachzulesen sind. Ausfuhrliche Darstellungen finden sich fur Blasensaulen in [l, 21,221 sowie fur Extrakto- ren in [7,8,1S,23-26] und weiteren Zeitschriftenpublikatio- nen. Hier sei noch kurz auf Bemuhungen, den lokalen Gasgehalt in Blasensaulen zu messen, aufmerksam gemacht. Solche Mes- sungen sind fur die Diagnose der komplexen Stromungsef- fekte in Gas/Flussig-Systemen von groBer Bedeutung. Eine vergleichende Darstellung und Analyse mehrerer eingesetz- ter MeBmethoden gibt Linneweber [27], der die Nadelsonden- technik zur Messung des Gasanteils und daruber hinaus eine kapazitive Methode fur gleichzeitige Feststoffgehaltsmessun-

    ~~~~ ~

    1) Eine Zusarnmenstellung der Formelzeichen befindet sich am SchluR des Beitrages.

    gen entwickelte. Allerdings sind alle Nadelsonden stark rich- tungsempfindlich und damit nur etwa bis zu Gasleerrohrge- schwindigkeiten von 4 cm/s, also im Bereich der homogenen Blasenstromung geeignet. Neben dem zuvor beschriebenen Weg, die volumenbezogene Phasengrenzflache uber den Blasengehalt und den Blasen- durchmesser zu bestimmen, gibt es physikalische und chemi- sche Methoden, um die Phasengrenzflache unmittelbar zu messen, woraus man wiederum uber GI. (1) Sauter-Durch- messer berechnen kann. Hiervon fanden die chemischen im SFB 153 besonderes Interesse [22,28]. Sie benutzen bekannt- lich die Absorption reaktiver Komponenten aus der Gasphase mit nachgelagerter schneller chemischer Reaktion in der flus- sigen Phase und liefern iiber das gesamte ProzeBvolumen ge- mittelte Werte der volumenbezogenen Phasengrenzflache. Sie sind bisher nur fur Gas/Flussig-Systeme eingesetzt worden und wahrscheinlich fur Flussig/Flussig-Systeme wegen deren starkerer Empfindlichkeit gegen grenzflachenenergetische Effekte nicht geeignet. Man ist sich heute daruber einig, darj die chemische Methode nur dann zu vergleichbaren Ergeb- nissen fuhrt, wenn die Blasengrorjenverteilung, die unter- schiedliche Aufstiegsgeschwindigkeit verschiedener Blasen und die Stromungsdispersion in der Blasensaule bei der Aus- wertung der eigentlichen MeBinformation berucksichtigt wer- den konnen [20]. Damit wachst diese Methode weit aus der Thematik dieses Beitrages, in dem es urn Partikelbildung geht, heraus.

    2.3 Phanomenologie und MeRergebnisse

    Bei geringen Volumendurchsatzen wolbt sich, bekanntlich, wie Abb. 4 zeigt, eine Kugelabschnittskappe des Fluids aus der Offnung heraus und wachst durch den NachfluB langsam zu einem Partikel an, das sich dann von der Offnung abzuhe- ben beginnt, sobald die Auftriebskraft dazu ausreicht. Erst wenn der Verbindungsschlauch zwischen Partikel und off-

    Abb. 4. Einzelpartikelbildung bei geringen Durchsatzen, nach [65].

    nung gerissen ist, hat das Partikel seine primare GroBe er- reicht und kann frei aufsteigen oder absinken. Bei Gasdisper- gierung spricht man von ,,Blasengasen". Bei Flussig/Flussig- Systemen kann die beschriebene Partikelbildung nur beob- achtet werden, wenn die Dispersphase das Dusenmaterial nicht benetzt. Andernfalls bilden sich relativ groBe, fladenar- tige Gebilde, es sei denn, daB man sp...

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