Numerical calculation of flow fields in three-phase bubble columns considering a chemical reaction

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Dreiphasig betriebene Blasensäulenreaktoren werden in zahlreichen chemischen und biotechnischen Prozessen eingesetzt. Für die Dimensionierung derartiger Reaktoren werden überwiegend eindimensionale, auf empirischen oder halbempirischen Modellen beruhende Berechnungsmethoden verwendet. Das beantragte Forschungsprojekt hat zum Ziel, das Strömungsfeld und die Blasengrößenverteilung in dreiphasig betriebenen Blasensäulen auf numerischem Wege zu berechnen. Dabei wird neben dem Stofftransport in der flüssigen Phase eine heterogene katalytische Reaktion an der Oberfläche von suspendierten Feststoffpartikeln berücksichtigt. Der Impuls- und Stofftransport wird in der flüssigen Phase unter Berücksichtigung der lokalen Phasengrenzfläche der dispergierten gasförmigen Phase berechnet. Dazu wird die Blasenanzahldichte mit einer Populationsbilanzgleichung beschrieben. Der Zerfall- und die Koaleszenz von Blasen werden in der dreiphasigen Strömung mit Hilfe eines physikalisch begründeten und experimentell überprüften Modells berücksichtigt. Aus der numerischen Lösung der Populationsbilanz werden die Blasengrößenverteilungen berechnet und eine Transportgleichung für den mittleren Blasendurchmesser erhalten. Für das numerische Berechnen des dreiphasigen Strömungsfeldes wird ein Euler-Euler-Verfahren angewendet, mit dem hohe Blasenanzahldichten und hohe Gasleerrohrgeschwindigkeiten zu berücksichtigen sind. Als Ergebnis werden die dreidimensionalen, zeitveränderlichen Felder der Phasenanteile, der Geschwindigkeiten und der Konzentrationen erhalten.