Marangonikonvektion bei Tropfenbildung und -koaleszenz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bart; Professor Dr.-Ing. Eugeny Kenig
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 310703977

Marangonikonvektionen bei Tropfen verbessern massiv die Stofftransferrate und beeinflussen direkt die lokale Hydrodynamik, insbesondere bei Tropfenbildung und -koaleszenz. Dabei sind lokale Phänomene nicht ausreichend verstanden und somit für eine ingenieurtechnische Nutzung (Apparateauslegung) unzureichend erfasst und nicht berechenbar.Tropfen durchlaufen in der Extraktionskolonne die Phasen der Bildung, des Aufstieg bzw. der Sedimentation und der Koaleszenz. Dabei sind alle Phasen eng und auf komplexe Weise miteinander sowie mit den fluiddynamischen Verhältnissen und dem Stofftransport verknüpft. Stofftransportvorgänge setzen bereits während der Tropfenbildung ein. Während des folgenden Aufstiegs kann ein Tropfen mit anderen Tropfen kollidieren und entweder von diesen abprallen oder mit ihnen koaleszieren. Sowohl die Koaleszenzwahrscheinlichkeit als auch die Dauer des Aufstiegs - und damit die Verweilzeit des Tropfens im Apparat - hängen u.a. von der Aufstiegsgeschwindigkeit ab. Das Koaleszenzverhalten beeinflusst zudem die Tropfengrößenverteilung, die wiederum die für den Stofftransport zur Verfügung stehende Fläche vorgibt. Beim Transport von übergehenden Komponenten kann es zu Gradienten der Grenzflächenspannungen kommen. Dadurch werden zusätzliche Schubspannungen hervorgerufen, die zu einer Bewegung der Phasengrenze und zu intensiven Strömungsstrukturen bis an die Phasengrenze führen. Dieses Phänomen - der sog. Marangoni-Effekt - bewirkt eine besonders intensive Kopplung von Impuls- und Stofftransport.Um auf diese komplexen Fragestellungen einzugehen, werden häufig Untersuchungen zu Fluiddynamik und Stofftransport von Einzeltropfen durchgeführt. Mit Hilfe von Korrekturfaktoren wird dann auf die Eigenschaften der Tropfenschwärme geschlossen, aber wichtige lokale Effekte werden dabei vollständig ignoriert.Im laufendem Projekt wurden neue Messzellen und –techniken entwickelt, um in situ die Auswirkung der Marangonikonvektion auf den Stofftransport lokal und zeitlich hoch aufgelöst experimentell untersuchen zu können. Die ersten Sekunden sind allerdings messtechnisch nicht erfassbar, sondern nur durch Simulationen zugänglich. In der Verlängerungsphase soll die Datenbasis ausgebaut und neue Modellierungsansätze validiert werden, um neue Kernels für die Simulation technischer Apparate zu gewinnen, da im state-of-the-art der Apparateauslegung Marangoni-Einflüsse bislang vernachlässigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen