Monitoring of gas-liquid mass transfer with single droplet experiment

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Autoren

Abstract

Die Reduktion und Abtrennung von CO2-Emissionen hat durch die Einschränkung der globalen Klimaerwärmung weltweite Beachtung erlangt. Eine mögliche Methode zur Reduktion des CO2-Anteils in verschiedenen Abgasen ist die physikalische Absorption. Ein sehr gängiger Prozess zur CO2-Abtrennung ist die Gaswäsche in Sprühwäschern. Für die Wahl eines geeigneten Waschmediums und zur Konzeptionierung des Sprühturms ist ein detailliertes Verständnis des Stoffübergangs zwischen CO2 und den einzelnen Tropfen notwendig. So sind die physikalischen Eigenschaften wie Tropfendurchmesser, Kontaktzeit zwischen Gas-Flüssig-Systemen und Stoffaustauschkoeffizienten für Auslegung und Optimierung von Absorptions- oder Desorptionskolonnen unumgänglich. Um die Eigenschaften und Charakteristika des Stoffaustausches zwischen CO2 und flüssigen Tropfen zu untersuchen, wurde ein Versuchsaufbau bestehend aus rechteckiger Gaskammer, Shadowgraphiesystem und Analytik zur Bestimmung des gelösten CO2 erarbeitet. Dieses System ermöglicht die genaue Beobachtung von Tropfengröße, Tropfengeschwindigkeit und dem Verhalten der Tropfen während der Bildung und Fallphase. Der Tropfengenerator erzeugt eine definierte Tropfenserie, indem Flüssigkeit über eine peristaltische Pumpe durch eine Nadel gepresst wird. Nachdem sich die Tropfen von der Nadel gelöst haben, fallen sie durch eine mit Stickstoff gefüllte Gaskammer, werden am Boden der Kammer aufgefangen und mit einer Schicht aus Kerosin überdeckt. Durch Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera können die Tropfengröße, Tropfengenerationszeit und die Tropfenfallgeschwindigkeit in der Kammer ermittelt werden. Die zugehörige Analyse der CO2-Desorption der Wassertropfen erfolgt jeweils vor und nach dem eine Reihe von Tropfen erzeugt wurde. Der Flüssigphasen-Stofftransportkoeffizient der CO2-Desorption aus Tropfen wird bei verschiedenen Tropfengenerationszeiten (0.2328 s, 0.859 s und 1.08 s), Tropfenfallhöhen (5 cm, 10 cm und 20 cm) und Tropfengrößen (1.61 mm, 2.67 mm und 3.07 mm) bestimmt. Die ermittelten Tropfenfallgeschwindigkeiten aller Tropfengrößen dieser Studie zeigten eine hohe Übereinstimmung mit der Modellberechnung. Zudem konnten speziell bei geringen Fallhöhen große Ähnlichkeiten der Trends mit Experimenten von Takagi und Komori [93] gefunden werden. Selbiges gilt für die Endfallgeschwindigkeit der Tropfen, welche mit Daten von Beard [96] vergleichbar waren. Während die durchschnittliche CO2-Desorptionsrate bei Tropfenbildung und Tropfenfall mit abnehmendem Tropfendurchmesser zunahm, wurde durch Erhöhung der Kontaktzeit eine Verringerung der Desorptionsrate festgestellt. Die Versuchsergebnisse des Verhältnisses von CO2-Konzentration bei einer definierten Zeit und dem ursprünglichen CO2-Anteil, stimmten für Tropfendurchmesser von 2.67 mm und 3.07 mm gut mit dem Model von Hsu et.al [75] überein. Bedingt durch die Pulsation während der Tropfenbildung sind für einen Tropfendurchmesser von 1.61 mm vergleichbare Ergebnisse im Modell von Angelo [73] zu finden.

Details

Titel in ÜbersetzungBestimmung des Gas-Flüssigphasen-Stoffaustausches mittels Einzeltropfenexperimenten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2017