Entwicklung einer Laborblasensäule und eine Parameterstudie am Eulerschen Modell für Blasenströmungen mit gleichmäßiger Begasung

Abstract

In dieser Arbeit wurde eine Laborblasensäule mit einem quadratischen Querschnitt (0,2 x 0,2m) und einer Höhe von ungefähr 2m für Experimente zum Gas-Strippen bei der Ethanolfermentation entwickelt.<br />Die transparente Ausführung und Flexibilität in Bezug auf Konfigurationsänderungen ermöglicht die Durchführung zahlreicher Experimente und Messungen mit Hochgeschwindigkeitskamera, LDA und PIV.<br />Es wurde der globale Gasvolumenanteil bei gleichmäßiger Begasung von deionisiertem Wasser mit Luft bei unterschiedlichen Füllständen (0,5, 1 und 1,5m), Gasleerrohrgeschwindigkeiten (bis 0,25m/s) und Siebbodenkonfigurationen (gleichmäßig, lokal, Reihe; mit 1, 2 und 3mm Bohrungen) und -material (PVC-U, Aluminium und teflonbeschichtetes PVC-U) bei Umgebungsbedingungen gemessen. Außerdem wurde eine Parameterstudie am Eulerschen Modell für eine Blasenströmung bei gleichmäßiger Begasung mit den Fluiden Wasser und Luft durchgeführt.<br />Dafür wurde ein Gitter mit der Geometrie der entwickelten Blasensäule generiert (ungefähr 360000 Zellen). Es wurden der Zeitschritt für die instationäre Simulation, verschiedene Turbulenz- und Widerstandsmodelle, Blasengrößen (5, 7,5 und 10mm Durchmesser), die Diskretisierung der Differentialgleichungen (nach erster und zweiter Ordnung) und Gasvolumenströme (40, 80 und 160 l/min) variiert. Es wurde mit einem anfänglichen Füllstand von 1m simuliert. Auch eine stationäre Simulation wurde durchgeführt, die allerdings zu keinem physikalisch sinnvollen Ergebnis konvergierte. Die laminare Simulation lieferte die aussichtsreichsten Ergebnisse.<br />

For this thesis a laboratory scale bubble column with a quadratic cross section (0,2 x 0,2m) and a height of about 2m was built for experiments on gas-stripping for the product removal of ethanol fermentations. In order for being able to use this bubble column for numerous different experiments and measurements with highspeed camera, LDA and PIV, it was important to have a transparent and flexible construct in regards to configuration changes. The total gas hold-up was measured at uniform gassing of deionised water with air at different liquid levels (0,5, 1 und 1,5m), superficial gas velocities (up to 0,25m/s) and sieve tray configurations (uniform, local, row; with 1, 2 and 3mm holes) with different materials (PVC-U, aluminium and teflon coated PVC-U) at ambient conditions. Furthermore a parameter study was conducted at the Eulerian model for bubble flow with uniform gassing with the fluids water and air. Therefore a mesh (approximately 360000 cells) with the dimensions of the built bubble column was generated.<br />Variations of conditions included the time steps for an unsteady simulation, different turbulence and drag models, bubble sizes (5, 7,5 and 10mm diameter), the discretization of the differential equations (with first and second order) and the gas volume flow (40, 80 and 160 l/min). All simulations were performed with an initial liquid level of 1m. Besides the transient simulations also a steady-state simulation was carried out. However, it converged to no physical, useful result. As a result, the laminar simulation yields to be the most promising.