Visualisierung und Quantifizierung von Makro- und Mikromischen in einem Flüssig/Flüssig-System

Abstract

Im Fokus dieser Arbeit liegt die Entwicklung und Erprobung einer neuartigen Methode zur Visualisierung und Quantifizierung von Makromischen und Mikromischen in einem Flüssig/Flüssig-System mit relativ kostengünstigen Einsatzstoffen für v. a. großskalige Anlagen. Es wird das Homogenisieren von zwei ineinander löslichen Flüssigkeiten mit chemischer Reaktion untersucht. Die Anwendung der Methode wird dabei vorrangig unter laminaren Strömungsbedin-gungen und mit einem Mischapparat analog einem statischen Mischer vom Typ SMX durchgeführt. Wie bei großskaligen Anwendungen üblicherweise angestrebt, wird als Modellfluid Wasser verwendet. Die Untersuchung erfolgt primär mittig in der vertikalen Ebene und mit einem planaren laser-optischen Messsystem, um die Strömung nicht zu beeinflussen und eine hohe örtliche und zeitliche Auflösung zu realisieren. Verwendet wird dazu die Two-Tracer Planare Laser-Induzierte Fluoreszenz (2T-PLIF). Damit werden die Konzentration des fluoreszierenden, pH-Wert-unabhängigen Tracers Pyridin 2 sowie gleichzeitig eine Neutralisationsreaktion durch den fluoreszie-renden, pH-Wert-abhängigen Tracer Uranin visualisiert. Das Konzentrationsfeld des Pyridin 2 charakterisiert dabei das Makromischen, das aus der Fluoreszenzintensität des pH-Indikators Uranin ermittelte pH-Wert-Feld das Makro- und das Mikromischen. Nach Normalisierung dieser Felder wird daraus der Deviationsgrad  als Indikator für das Mikromischen selbst bestimmt. Zudem werden aus den Konzentrationsfeldern der Segregationsindex zur Bestim-mung der Mischgüte und die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion zur Charakterisierung des Vermischungszustandes der reaktiven Strömung berechnet und mithilfe einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) charakteristische Frequenzen der durch den Mischer induzierten Strömungsstrukturen ermittelt. Ferner werden simultan Messungen mit Particle Image Velocimetry (PIV) zur Charak-terisierung der Geschwindigkeitsfelder der Strömung realisiert und mittels Proper Orthogonal Decomposition (POD) Zusammenhänge zwischen Konzentrations- und Geschwindigkeitsfeld untersucht. Zur Erprobung der Methode und um die Nutzung dieser einem breiten Spektrum von technischen Anwendungen ermöglichen zu können, werden zusätzlich weitergehende Untersuchungen für realtypische Konfigurationen mit mehreren in Reihe geschalteten, jeweils um 90° gedrehten Mischerelementen sowie turbulentes Freistrahlmischen durchgeführt. Außerdem werden Messungen in der horizontalen Mittelebene reali-siert. Die neuartige Methode zur Charakterisierung von Makro- und Mikromischen in einem Flüssig/Flüssig-System ist im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und erfolgreich erprobt worden. Dass die Methode funktioniert, wird anhand der Messergebnisse vor allem in Form von Konzentrations- und pH-Wert-Feldern, Deviationsgrad zur Beschreibung des Mikromischens sowie zu deren Analyse durch Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion, Segregationsindex und charakteristische Frequenzen aufgezeigt. Zudem werden die Grenzen der Methode bzw. die Grenzen der verwendeten Konfiguration der Mess-technik aufgezeigt und hinsichtlich ihrer Messunsicherheit abgeschätzt. Die entwickelte Methode leistet einen Beitrag für die experimentelle Untersuchung und Charakterisierung von Makromischen und Mikromischen in einem Flüssig/Flüssig-System für v. a. großskalige Anlagen.

This dissertation examines the development and testing of a novel method for visualizing and quantifying macro-mixing and micro-mixing in a liquid-liquid system with relatively inexpensive feedstock, especially for large experimental facilities. The homogenization of two miscible liquids with a chemical reaction is analyzed. The method is primarily applied under laminar flow conditions for a mixer comparable to a static SMX mixer. As is usually desired in large applications, water is taken as the preferred model fluid. A planar laser-optical measuring system is used in a way that the flow is unaffected and the local and temporal resolution is high. Two-tracer planar laser-induced fluorescence (2T-PLIF) is applied. This technique simultaneously visualizes the macro-mixing through the pH-independent tracer Pyridine 2 and micro-mixing via the concentration evolution of the fluorescent pH-dependent tracer Uranine during a neutralization reaction. The pH concentration field ascertained from the fluorescence intensity of the pH indicator Uranine contains merged information about macro-mixing and micro-mixing, but, once the fields have been normalized, the degree of deviation  can be determined as an indicator for micro-mixing itself. In addition, the segregation index that determines mixing performance is calculated from the concentration fields and the probability density function (PDF) that characterizes the blending of the reactive flow and characteristic frequencies of the flow structures induced by the mixer are ascertained using a fast Fourier transformation (FFT). Further measurements are done with particle image velocimetry (PIV) to characterize the flow’s velocity fields while correlations between concentration and velocity field are investigated by a proper orthogonal decomposition analysis (POD). Additional tests of typical configurations (several consecutively switched mixer elements rotated by 90° and turbulent open jet mixing) are conducted and measurements are taken in the horizontal measuring plane to test the method and facilitate its use in a wide range of industrial applications. The novel method for characterizing macro-mixing and micro-mixing in a liquid-liquid system was developed and successfully tested as part of this dissertation. Readings, primarily in the form of concentration fields, degree of deviation for the specification of micro-mixing and for the analysis of its probability density function, the segregation index and characteristic frequencies demonstrated that the method functions. The limits of the method and the limits of the instrumentation employed are also discussed with regard to the accuracy of the measurements. The developed method constitutes a contribution to experimental testing that visualizes and quantifies macro-mixing and micro-mixing in liquid-liquid systems, especially for large plants.