Ultraschnelle Röntgentomographie enthüllt Black Box

Statische Mischer kommen in vielen Bereichen der Prozessindustrie zum Einsatz – beispielsweise bei der Abwasserbehandlung. Direkt in Rohre installiert, werden sie verwendet, um Strömungen, zum Beispiel aus Gas und Flüssigkeit, zu vermischen. Zwar lässt sich die Mischgüte, die mit diesen Bauteilen erreicht wird, messen, die zugrundeliegenden Prozesse konnten bislang aber nicht beschrieben werden. Forschern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gelang dies nun zum ersten Mal. Sie nutzten dafür die eigens entwickelte ultraschnelle Röntgentomographie. Die Einblicke helfen, das Design statischer Mischer zu verbessern – was zu einer effizienteren Energienutzung führen würde.

Statische Mischer, wie hier grafisch dargestellt, sollen direkt in Rohrsystemen Strömungen vermischen. Forscher des HZDR lieferten zum ersten Mal Einblicke in die Prozesse, die sich dabei abspielen / Bildquelle: HZDR/Michael Voigt

Einer der häufigsten Prozesse der chemischen Industrie ist das Verteilen und Lösen von Gas in Flüssigkeiten. Neben klassischen Anlagen wie Rührkessel und Blasensäulen werden dafür verstärkt sogenannte statische Mischer eingesetzt. Bei dieser Methode mixen ausgeklügelte Anordnungen von Mischelementen, wie spiralförmige Flügel oder gekreuzte Stege, direkt in der Rohrleitung verschiedene Stoffe, zum Beispiel Gas und Flüssigkeit. Nach Dr. Markus Schubert vom Institut für Fluiddynamik am HZDR, ist noch nicht bekannt, wie genau dieser Prozess abläuft. Mann hat es quasi mit einer Black Box zu tun, bei der erst nach der Mischstrecke das Ergebnis bekannt wird. Detaillierte Kenntnisse sind aber notwendig, da die Kräfte, die dabei wirken, auch dazu führen könnten, dass das Gas und die Flüssigkeit getrennt werden, was fatal wäre. Optimale Designparameter sind deshalb äußerst wichtig.

Reine Simulationen mit dem Computer, die oft für solche Probleme eingesetzt werden, sind bisher nicht ausreichend leistungsstark, da die Strömungen zu chaotisch sind. Der Dresdner Forscher hat deswegen gemeinsam mit seinen Kollegen eine neuartige Methode eingesetzt: die ultraschnelle Röntgentomographie. Das Prinzip ist dabei das gleiche wie bei der medizinischen Anwendung. Der „Patient“ ist in diesem Fall jedoch kein Mensch, sondern die Strömung aus Gas und Flüssigkeit. Diese ist jedoch sehr dynamisch. Daher muss eine schnellere Methode genutzt werden.

Ein schnell ablenkbarer Elektronenstrahl wird dafür auf ein Target aus Wolfram gerichtet. Dadurch entsteht eine bewegliche Röntgenquelle, so dass die Strömung aus allen Richtungen durchstrahlt werden kann. Diese Strahlung wird von der Flüssigkeit stärker und vom Gas weniger geschwächt. Aus vielen einzelnen Röntgenprojektionen lassen sich anschließend Schnittbilder rekonstruieren, mit denen Schubert die Strömung analysieren kann. 1000 Bilder in nur einer Sekunde sind so kein Problem. Selbst einzelne, in der Flüssigkeit verteilte Gasblasen und deren Weg durch die Mischsegmente werden auf diese Weise leicht sichtbar.

Vor allem die Blasengrößenverteilung interessiert Markus Schubert: Der Stofftransport erfolgt über die Oberflächen dieser Gasblasen. Kleine, feinverteilte Gasblasen intensivieren ihn, was gewünscht ist. Dabei soll möglichst wenig Energie, also in diesem Fall Pumpleistung, verbraucht werden. Im untersuchten Mischer mit spiralförmig angeordneten Flügeln konkurrieren allerdings verschiedene physikalische Prozesse miteinander. Einerseits zerteilen die Turbulenzen die Blasen. Andererseits verschmelzen sie teilweise auch wieder, da die Zentrifugalkräfte die leichtere Gasphase von dem schwereren Stoff, also der Flüssigkeit, trennen.

Um zu testen, welche Auswirkung die Mischerelemente auf die Strömung und die Blasenbildung haben, variierten die Dresdner Wissenschaftler systematisch die Länge der Mischstrecke und die Stoffmengenströme. Für die untersuchten Bedingungen bestimmten sie den Leistungseintrag und die Verteilung unterschiedlicher Blasengrößen. Es konnte gezeigt werden, dass bei spiralförmigen Elementen das Ziel des Mischprozesses, also möglichst viele kleine Blasen, durch die erwähnte Separation der beiden Stoffe seine Grenzen hat. Daraus können Rückschlüsse für die optimale Anordnung der Einbauten und die Länge der Strecke gezogen werden.

Insgesamt konnten die Rossendorfer Wissenschaftler mit ihrer kürzlich veröffentlichten Studie (Chemical Engineering Journal / DOI:10.1016/j.cej.2014.09.019) wichtige Parameter für den optimalen Betrieb statischer Mischer ermitteln. Um die Wechselwirkungen zwischen Design und Strömung noch genauer zu erkunden, wollen sie nun weitere Mischerstrukturen analysieren – Untersuchungen, die die Industrie im Gegensatz zu Forschungszentren nicht leisten kann, wie Schubert betont: Für Unternehmen kommt es natürlich darauf an, welcher Mischertyp ein gutes Endergebnis – also einen guten Stofftransport – bringt. Deshalb greifen sie auf bewährte Designanordnungen zurück. Das heißt aber nicht, dass das auch die besten sind.

Publikation: S. Rabha, M. Schubert, F. Grugel, M. Banowski, U. Hampel, „Visualization and quantitative analysis of dispersive mixing by a helical static mixer in upward co-current gas-liquid flow”, in: Chemical Engineering Journal, 262 (2015) 527-540, DOI:10.1016/j.cej.2014.09.019.

http://www.hzdr.de