ISBN 9783843925907

978-3-8439-2590-7, Reihe Verfahrenstechnik

Martin Wallenstein
Fluiddynamik in keramischen Schwammstrukturen - Phänomenologische Betrachtung, Hydrodynamik und Wärmeübertragung

234 Seiten, Dissertation Karlsruher Institut für Technologie (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Bei der Trennung von Stoffgemischen durch Rektifikation, Absorption oder Desorption sowie in Rieselfilmreaktoren kommen Einbauten zur Verbesserung des Wärme- und Stoffübergangs zum Einsatz. Bisherige Einbauten sind klassischerweise regellose Schüttungen oder strukturierte Blech- und Gewebepackungen, die jeweils Vor- und Nachteile besitzen. Aufgrund der hohen Porosität, dem inerten Material Keramik und der vergleichsweise hohen spezifischen Oberfläche könnten keramische Schwämme eine Lücke zwischen den vorhandenen Einbauten schließen. Schwämme sind offenporige Netzwerkstrukturen und besitzen eine Bikontinuität hinsichtlich der fluiden und festen Phase. In der vorliegenden Arbeit wurde die Fluiddynamik sowie die Wärmeübertragung in keramischen Schwammstrukturen bei der mehrphasigen Durchströmung ohne Phasenwechsel untersucht.

Im ersten Teil wurde eine phänomenologische Betrachtung der Strömung innerhalb einer Schwammpackung durchgeführt. Als Messmethode wurde dabei das nicht-invasive Messverfahren der Computertomographie gewählt.

Im zweiten Teil wurden die zur Auslegung notwendigen hydrodynamischen Größen Holdup, Druckverlust und effektive Phasengrenzfläche zwischen den Fluiden sowie die Betriebsbereiche bestimmt. Dabei wurden die Porosität, Zelldichte sowie das Material variiert und Abhängigkeiten bestimmt. Zusätzlich wurden bereits bestehende Korrelationen für herkömmliche Einbauten zur Vorausberechnung der Flutpunktsgasgeschwindigkeit auf ihre Anwendbarkeit für Schwammstrukturen untersucht.

Im dritten Teil wurde die Wärmeübertragung in keramischen Schwämmen bei der mehrphasigen Durchströmung durch die Beschreibung mit dem sogenannten homogenen Modell (Schwamm wird als quasi-kontinuierlich betrachtet) charakterisiert. Dazu wurden die radiale Mehrphasen-Wärmeleitfähigkeit und der Wandwärmeübergangskoeffizient experimentell ermittelt. Zunächst wurden diese beiden Größen bei der einphasigen Durchströmung bestimmt und Abhängigkeiten hinsichtlich der Fluidgeschwindigkeit, Porosität, Zelldichte und Material ermittelt.

Insgesamt betrachtet dient die vorliegende Arbeit der Verbesserung des Verständnisses für die Fluiddynamik in Schwammstrukturen bei der mehrphasigen Durchströmung. Außerdem werden Berechnungsvorschriften präsentiert, die eine Vorausberechnung von hydrodynamischen Größen und der Wärmeübertragung in Schwammstrukturen ermöglichen. Diese Vorausberechnungen sind essentiell für eine Auslegung von Packungskolonnen mit Schwammeinbauten.