TU Berlin

Fachgebiet VerfahrenstechnikDipl.-Ing. Frederic Krakau

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Dipl.-Ing. Frederic Krakau

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Lehre
Verfahrenstechnik I
Projekt ProzessIngenieurWissenschaften - PIW

Arbeitsgebiet
Bruchphänomene in Gas/flüssig-Systemen

Bachelor-/Masterarbeiten

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Motivation/Problemstellung

Gerührte Gas/flüssig-Systeme sind ein elementarer Bestandteil in vielen technischen Prozessen der Chemie-, Erdöl-, Arzneimittel- und Lebensmittelindustrie. Eine entscheidende Rolle hinsichtlich der Leistungsfähigkeit bzw. Wirtschaftlichkeit dieser Prozesse spielt dabei die Blasengrößenverteilung. Sie bestimmt beispielsweise die Phasengrenzfläche und damit den Stoffübergang zwischen disperser und kontinuierlicher Phase und hat somit einen direkten Einfluss auf die Produktbeschaffenheit. Die Blasengrößenverteilung resultiert dabei aus den gegensätzlichen Phänomenen Blasenzerteilung und -koaleszenz.
Gegenwärtig ist die Auslegung von Rührbehältern immer noch mit großem experimentellem Aufwand verbunden, vielfach sind kosten- und zeitaufwändige Voruntersuchungen im Technikumsmaßstab mit den Originalstoffsystemen notwendig. Um diesen Aufwand zu minimieren und das Verhalten von Gas/flüssig-Systemen vorherzusagen, können Computational-Fluid-Dynamics (CFD) Berechnungen in Kombination mit Populationsbilanzen (PBE) verwendet werden. Die Populationsbilanzen verwenden dabei Zerteilungs- und Koaleszenzmodelle, die die entsprechenden Vorgänge modellieren. Die aktuell in der Literatur vorliegenden Modelle stimmen jedoch oft nur innerhalb sehr enger Bereiche mit experimentellen Daten überein und beschreiben teils widersprüchliches Verhalten in Bezug auf wichtige Prozessparameter. Aus diesem Grund ist es notwendig, die bestehenden Modelle weiter zu entwickeln und ein tiefer gehendes Verständnis der Vorgänge Blasenzerteilung und Koaleszenz zu erlangen.

Projekt

Während im Rührbehälter Bruch und Koaleszenz gleichzeitig ablaufen, ist es für die mathematische Beschreibung und das Verständnis der Prozesse wichtig, diese  getrennt voneinander zu betrachten. Aufbauend auf bisherige experimentelle Forschungsarbeiten am FG Verfahrenstechnik, zur Einzeltropfenzerteilung in einem speziellen Zerfallskanal mit vereinfachtem Strömungsfeld, werden nun Untersuchungen zur Einzelblasenzerteilung im Rührbehälter durchgeführt (siehe Abb. 1).

Fig. 1: Trajectory of bubble broken into five daughter bubbles
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Um voraussagende Modelle für die Blasengrößenverteilungen zu entwickeln, ist ein quantitatives Verständnis der Blasenzerteilung erforderlich. Der Einfluss von Prozessparametern wie z.B. Geometrie oder Rührergeschwindigkeit auf die Einzelblasenzerteilung wird untersucht. Der Vorgang wird mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera (bis zu 150.000 fps) aufgezeichnet, wobei es notwendig ist die Auswertung der Blasenzerteilung zu automatisieren um quantitative Größen wie z.B. Bruchzeit, Bruchort oder Blasengrößenverteilung zu erhalten.

Für die abschließende Modellierung der transienten Blasengrößenverteilungen auf Basis der Populationsbilanzen werden die gewonnenen experimentellen Einzelzerteilungsergebnisse herangezogen. In der Literatur vorhandene Zerteilungsmodelle für die Berechnung der Blasengrößenverteilung werden durch Vergleich mit experimentellen gemessenen Blasengrößenverteilungen verbessert und weiterentwickelt.

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