Untersuchung der flüssig-flüssig Propfenströmung im Kapillar-Mikroreaktor zur Intensivierung stofftransportlimitierter Reaktionen
Creators: name: Ghaini, Aras
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2012
Subjects: subject: Mikrokanal
subject: Mikroreaktor
subject: Propfenströmung
subject: Prozessintensivierung
subject: Reaktionstechnik
subject: Technische Chemie
subject: 660

description: Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit behandelt ein Reaktorkonzept zur Durchführung mehrphasiger chemischer Reaktionen auf dem Gebiet der Mikroverfahrenstechnik. Hauptziel der Arbeit war es die flüssig/flüssig Propfenströmung in einer Kapillare auf die Anwesenheit eines Wandfilmes zu untersuchen und seinen Einfluss auf Strömungsdynamik und Stofftransport zu beurteilen. Hierzu wurden drei Verschiedene Untersuchungsmethoden gewählt, ein optisches Verfahren, ein mathematisches Berechnungsverfahren und ein elektrisches Messverfahren basierend auf der Dielektrizität der Flüssigkeiten. Um die für die Reaktionstechnik bedeutenden Vorgänge innerhalb der Kapillare experimentell zu untersuchen werde zunächst das lichtinduzierende Fluoreszensverfahren angewendet. Durch Messung der Intensitätsprofile konnte eine vollständige Benetzung der Kapillarwand durch eine Phase in fl/fl Systemen nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigen ein charakteristisches Stofftransportverhalten für die verschiedenen untersuchten fl/fl Systemen. Die Viskosität der Flüssigkeiten hatte einen wesentlich höheren Einfluss auf die Hydrodynamik als erwartet wurde. Um das Strömungsverhalten der zweiphasigen Mikrokapillarströmung vorherzusagen wurde eine CFD Methodologie basierend auf der Finite-Volumen Methode und den inkompressiblen Navier-Stokes Gleichungen angewendet, wobei die Grenzfläche der Flüssigkeiten mithilfe der Volume-of-Fluid Methode als Randbedingung berechnet wurde. Durch die Simulationen konnte die Propfenentstehung und Strömung für verschiedene Stoffsysteme numerisch untersucht werden. Durch Darstellung von Vektorfeldern konnten Übereinstimmungen mit den zuvor experimentell gemachten Beobachtungen gefunden werden. Zusätzlich wurden Simulationen an einzelnen Propfen mit freier Oberfläche durchgeführt. Die Studien am Einzelpropfen zeigen die Entwicklung eines Wandfilms und sogar die charakteristische Durchbiegung beinahe stehender Propfen im Mikrokanal. Die berührungslose Methode, die auf der Messung der stoffspezifischen dielektrischen Leitfähigkeit der Strömung beruht, wies nicht die notwendige Messgenauigkeit auf um einen Wandfilm zu messen, erlaubte jedoch die Erfassung der Strömung hinsichtlich der Pfropfenlängen und Propfenabstände. Über die Unterscheidung der Phasen hinaus konnte eine Sensitivität der Messungen auf die Strömungsgeschwindigkeit beobachtet werden, womit sich die Methode als geeignetes Verfahren für eine kombinierte Durchflussmessung und Regelung in Mikrokanälen heraus stellt. Summary: Studies on liquid-liquid slug flow in the capillary microreactor for the intensification of mass-transfer limited reactions The presented work investigates a reactor concept for multiphase reactions in the field of micro-reaction engineering. The aim of this work is to proof the existence of a wall film in the liquid/liquid slug flow and to observe its effect on hydrodynamics and mass transport. Three different analytical methods were chosen for this purpose, an optical method, a mathematical method and an electical method based on the dielectricity of fluids. At first, the method of the light induced fluoreszenz is used to observe the hydrodynamics within the capillary. The measurement of the light intensity profiles showed a fully wetted capillary wall by a sole liquid. The results show characteristical mass transport behaviours for different liquid/liquid systems. The influence of the liquid viscosity on the hydrodynamics was found to have a significantly higher impact on the hydrodynamics in microscale then expected. A CFD methodology based on the Finite-Volume method and the incompressible Navier- Stokes equations is presented to predict the biphasic flow in a micro-capillary. The liquid/liquid interface is tracked by the Volume-of-Fluid method as the boundary condition. Slug generation and and the two-phase flow behaviour are investigated fort he different liquid systems. Consistancies with the experimental observations can be found even in the velocity vector plots. Furthermore, free surface studies on single slugs are presented. The studies show the development of a wall film on the capillary wall and the characteristic „bone“ shape of very slow slugs in the micro-channel. The electrical method based on the fluids’ specific dielectric conductivity was found not to have the sensitivity for the measurement of a thin liquid wall film, but is proved to be an excellent method to measure slug length and frequency. The different phases can be distinguished and slug velocities are measured. The method shows a high potential to be adopted in measurement and control techniques for micro-channels.