Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT)

Untersuchung des Einflusses der Transportprozesse auf chemische Reaktionen in Blasenströmungen mittels ortsaufgelöster In-situ-Analytik und simultaner Charakterisierung der Blasendynamik in Echtzeit

  • Ansprechpartner:

    Rinke, Günter

  • Förderung: Schwerpunktprogramm 1740: Einfluss lokaler Transportprozesse auf chemische Reaktionen in Blasenströmungen
  • Partner:

    Universität Stuttgart, Institut für Parallele und Verteilte Systeme (IPVS), Stuttgart, Deutschland

  • Starttermin:

    2014

  • Endtermin:

    2017

Durch den Einsatz neuer experimenteller Methoden sollen Beiträge zum Verständnis des Zusammenspiels zwischen Hydrodynamik und chemischen Reaktionen in Blasenströmungen geleistet werden. Die experimentellen Methoden basieren hierbei auf einem neuartigen Echtzeit-Raman-Prozess-Analyse-System, das eine orts- und zeitaufgelöste chemische In-situ-Analyse der Flüssigphase in der Umgebung der simultan dazu beobachteten Blase ermöglicht.

Projektbeschreibung

Dieses System besteht aus der Erweiterung des Echtzeit-Prozess-Analyse-Systems, das von der Universität Stuttgart (IPVS) realisiert wurde und der Integration eines In-situ-Raman-Spektrometers, das von KIT/IMVT konzipiert wurde, hier weiterentwickelt und in das neue Echtzeit-Raman-Prozess-Analyse-System integriert wird.

Auf Basis des angestrebten Echtzeit-Raman-Prozess-Analyse-Systems soll die Kinetik chemischer Reaktionen in Abhängigkeit der Blasendynamik untersucht werden. Korrelierend mit der Beobachtung der Blasen und der Blasenformen ergibt die ortsaufgelöste Analyse der chemischen Reaktion die relevante Information über den Stoffeintrag. Diesbezüglich sollen umfangreiche automatisierte Analysen der Blasenformen durchgeführt werden, um eine hohe Anzahl von Blasen zu vermessen und damit statistisch aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Im Rahmen dieses Projektes sollen sowohl Blasenströmungen, durch Gegenströmung immobilisierte Blasen mit und ohne Turbulenzeinfluss (Gittereinbauten) als auch Taylor-Strömungen in Mikrokanälen, untersucht werden.

Zur Bestimmung der chemischen Stoffzusammensetzung soll mit dem Echtzeit-Raman-Prozess-Analyse-System für jeden Laserpuls lokal an einem oder mehreren Messpunkten in einer Blasenströmung und zu einem definierten Zeitpunkt die Stoffkonzentration ermittelt werden. Dazu soll ein komplettes Raman-Spektrum aufgenommen werden, so dass chemische Reaktionen mit komplexen Raman-Spektren auswertbar sind und das System hinsichtlich der Anwendbarkeit flexibel und universell einsetzbar ist. Simultan zur Aufnahme der Raman-Spektren werden die aufsteigenden Blasen und Blasenschwärme und das umgebende Strömungsfeld mit hohen Bildraten von 1000 Frames/s beobachtet, um die Trajektorie und Dynamik der aufsteigenden Blasen und insbesondere den oder die Messpunkte für die Raman-Spektroskopie relativ zur Position der Blasen in Echtzeit bestimmen zu können. Dabei wird mit dem Echtzeit-Raman-Prozess-Analyse-System mit integrierter Bildauswertung die Position der beobachteten Blase in jeder Bildaufnahme in Echtzeit bestimmt. Bezüglich der experimentellen Anordnung steht die optische Achse des Echtzeit-Prozess-Analyse-Systems senkrecht zur Strömungsrichtung der Blasen in dem Blasenkanal, so dass das System seitlich in die Versuchsanordnung integriert werden kann und eine 2D Seitenansicht der Blasen in Echtzeit aufgenommen und ausgewertet werden kann.

Als erste Anwendung wurde die CO2–Absorption untersucht. Dabei strömen CO2 und verdünnte Natronlauge als Taylor-flow in einer Glas-Kapillare mit 2 mm x 2 mm innerem Querschnitt.

Zur Konzentrationsbestimmung des CO32- wurde dessen Raman-Linie bei 1080 cm-1 und zur Normierung die H2O-Bande bei 3400 cm-1 herangezogen. Die Abbildung zeigt ein Raman-Spektrum, das mit einem einzelnen Laserpuls erzeugt wurde. Daraus können Konzentrationsprofile zwischen zwei Gasblasen bestimmt werden. Die Nachweisgrenze für CO32- beträgt in diesem Beispiel 0,07 mol/l.