2023-10-272023-10-27https://hdl.handle.net/11420/43941Das Hauptziel dieses Antrags ist es Mischungsstrukturen in dem Nachlauf frei aufsteigender Einzelblasen und Blasen in Schwärmen zu detektieren und in kompakte Stoffübergangskorrelationen für die Verfahrenstechnik einzubeziehen. Auf diese Weise kann der Einfluss der Blasennachlaufströmung auf chemische Reaktionen leichter abgeschätzt werden. Die Kenntnis des detaillierten Stofftransports ist entscheidend für die Herstellung vieler im Alltag verwendeter Bulkchemikalien, die in Gas-Flüssig-Reaktionen wie Hydrierung, Oxidation oder Chlorierung synthetisiert werden. Darüber hinaus können die hohen Gaskonzentrationen in den Blasenströmungen auch potenziell schädlich für Mikroorganismen und Enzyme in begasten Reaktoren sein und zu einer Substrathemmung führen. Um vorherzusagen, wie viel Gas aus einer Blase in die umgebende Flüssigkeit übergeht, muss der Stoffübergangskoeffizient (oder die dimensionslose Sherwood-Zahl) bestimmt werden. Die heutigen Stoffübergangsmodelle (Sherwood-Korrelationen) basieren entweder auf der Zwei-Film-Theorie, der Penetrationstheorie oder der Theorie der Oberflächenerneuerung mit unterschiedlichen Parametern in Abhängigkeit von der relativen Geschwindigkeit der Blase zur umgebenden Flüssigkeit und den laminaren oder turbulenten Strömungsbedingungen in der Umgebung. Zudem gibt es Modelle, die den Einfluss von grenzflächenaktiven Substanze auf den Stofftransport berücksichtigen. Alle Theorien gehen jedoch davon aus, dass das Gas, sobald es in der flüssigen Phase gelöst ist, sofort vollständig durchmischt wird und dass alle Flüssigkeitspakete, die die Blasengrenzfläche passieren, nach dem Verlassen der Blasenoberfläche die gleichen Bedingungen im Blasennachlauf erfahren. Dieses Bild vernachlässigt die Auswirkungen einer heterogenen Konzentration in der Blasennachlaufströmung, die eine im Blasennachlauf stattfindende Reaktion, bei kleinen bis mittleren Hatta-Zahlen nach Levenspiel, wahrscheinlich beeinflussen wird. Bisher wurden die Details der Struktur der Durchmischung im Blasennachlauf für Stoffübergangskorrelationen nicht berücksichtigt. In diesem Forschungsvorhaben werden die Lagrange'schen kohärenten Strukturen (LCS) im Blasennachlauf von frei aufsteigenden 3D-Blasen und Blasenschwärmen in einer ruhenden Flüssigkeit durch Auswertung von 4D-PTV-Messungen mit Hilfe neu entwickelter mathematischer Werkzeuge aus der Theorie dynamischer Systeme analysiert. Zusätzlich wird eine quantitative Bewertung der Konzentration des gelösten Gases mittels zeitaufgelöster laserinduzierter Fluoreszenz (TRS-LIF) vorgenommen. Die LCS werden mit diesen Konzentrationsschleppen hinter der Blase verglichen, und beide Messungen dienen dann als Grundlage für die Entwicklung neuer Sherwood-Korrelationen, die die Auswirkungen kohärenter Strömungsstrukturen im Blasennachlauf einbeziehen.The main objective of this proposal is to unveil how mixing structures in the wakes of freely rising single bubbles and in bubble swarms can be incorporated into compact mass transfer correlations for process engineering. In this way the impact of the wakes on chemical reactions can be estimated more easily. The knowledge about the detailed mass transfer is crucial to produce a vast proportion of bulk chemicals used in everyday life that are synthesized in gas-liquid reactions like hydrogenation, oxidation, or chlorination. Furthermore, contained high gas concentrations in bubble wakes can also be potentially harmful to microorganisms and enzymes in gassed reactors leading to a substrate inhibition. To predict how much gas is transferred from a bubble to a surrounding liquid the mass transfer coefficient (or the nondimensionalized Sherwood number )has to be determined. Todays mass transfer models (Sherwood correlations) either build on the two-film theory, on the penetration theory, or on the surface-renewal theory with varying parameters in dependence on bubble relative velocity to the surrounding liquid and laminar or turbulent surrounding flow conditions. Adapted models exist to account for the effect of surfactants onto the mass transfer. All theories assume, however, that once the gas is dissolved in the liquid phase it gets immediately well mixed and that all fluid parcels passing the bubble interface experience the same conditions in the bubble wake once they leave the bubble surface. This picture neglects effects of a heterogeneous concentration wake that will likely influence a reaction taking place close to the bubble interface and in the bubble wake for small to intermediate Hatta numbers as according to Levenspiel. So far, the details of the structure of the mixing in the bubble wake are not considered for mass transfer correlations. In this research proposal, the Lagrangian coherent structures (LCS) in the bubble wake of 3D freely rising bubbles and bubble swarms in stagnant liquid will be analyzed by evaluating 4D-PTV measurements using recently developed mathematical tools stemming from dynamical systems theory. Additionally, a quantitative evaluation of the concentration of the dissolved gas will be obtained using Time Resolved Laser Induced Fluorescence (TRS-LIF). The LCS will be compared to the concentration wakes and both measurements supply input for the development of new Sherwood correlations that incorporate the effect of coherent flow structures in bubble wakes.