Charakterisierung der Mischungsprozesse in turbulenten Freistrahlströmungen

Hintergrund

Ein beachtlicher Anteil globaler Treibhausgasemissionen liegt bei der chemischen Industrie, die als eine der weltweit größten Energieverbraucherinnen u.a. Grundstoffe zu wichtigen Produkten verarbeitet. Die Herstellung von Chemikalien erfolgt entlang einer Wertschöpfungskette über viele Arbeitsschritte, die jeweils Energie und Stoffe verbrauchen und emittieren. Die Vermeidung unnötigen Ressourcenverbrauchs in jedem dieser Schritte ist damit ein Kernelement des grünen Wandels in der chemischen Industrie und ihrer Verfahrenstechnik. Durch die strikte Anwendung der „Green Chemistry“-Prinzipien werden Risiken in Edukten, Produkten und Verfahren minimiert, die Nutzung nachwachsender Rohstoffe und Energien ermöglicht sowie deren Gesamtverbrauch gesenkt.

Ein zentraler Schritt chemischer Verfahren ist die Vermischung von Stoffen. Die Mischgeschwindigkeit ist dabei eine wichtige Größe, von der in vielen Fällen die Produktausbeute und damit auch die Abfallmenge abhängt. Insbesondere dort, wo die Geschwindigkeit des Mischvorgangs erheblich höher als die der chemischen Reaktion sein muss, kommen die Vorteile der besonders schnellen Mikrovermischung zum Tragen. Daher werden verschiedene Mischmethoden entwickelt, die – im Vergleich zu herkömmlicher Mischtechnik (z.B. Rührorgan im Rührkessel) – zu um Größenordnungen schnelleren Vermischungen in der Lage sind. Eine dieser Mikromischtechniken ist die Mikroinjektion, durch die Flüssigkeiten unter hohem hydraulischen Leistungseintrag in eine Mischzone in einem turbulenten Freistrahl injiziert werden. Je kleiner die turbulenten Wirbel in der Strömung sind, desto höher ist die Geschwindigkeit der Vermischung.

Um die Mischtechnik auf einer industriell relevanten Ebene nutzen zu können, werden Mischeinheiten häufig parallelgeschaltet. Im Falle der Mikroinjektion sind daher Anordnungen aus mehreren Düsen Gegenstand der hier vorgestellten Forschungsarbeit.

Ziel

Das Ziel dieser Arbeit ist es, Mikroinjektoren mit unterschiedlichen Düsen und Düsenanordnungen hinsichtlich ihrer Funktionsweise, Charakteristika und Leistungsfähigkeit detailliert zu untersuchen. Ein tieferes Verständnis parametrischer Abhängigkeiten zwischen Injektorgeometrie, Strömungsfeldern und Mischzeit soll dabei helfen, Injektoren in Zukunft für ihren speziellen Einsatz besser optimieren zu können. Im Falle der Erhöhung des Prozessdurchsatzes durch Mehrdüsen-Mikroinjektoren spielen beispielsweise Wechselwirkungen zwischen benachbarten Düsenströmungen eine wichtige Rolle. Dadurch soll der mögliche Beitrag der Mikroinjektion als Mischtechnik zur Verbesserung von schnellen, mischungssensitiven Reaktionen hinsichtlich der anfallenden Abfallmengen, Produktqualität, Rohstoff- und Energieeffizienz ermittelt werden.