Kececi, S.

Onea, A.

Soyhan, H.S.

Wörner, M.

Wörner, Martin

Soyhan, H. S.

KITopen

Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftHelmholtz|GemeinschaftTheoretische und numerische Untersuchungen zum Stofftransport in auf- und abwärts gerichteter Taylor-Strömung Semih Kececia,b, Martin Wörnerb, Alexandru Oneac, Hakan S. SoyhanaaSakarya University, Department of Mechanical Engineering, Sakarya, TürkeibForschungszentrum Karlsruhe, Institut für Kern- und Energietechnik, Karlsruhe cForschungszentrum Karlsruhe, Institut für Reaktorsicherheit, KarlsruheLiteratur[1]  K. Kawakami, K. Kyosuke, F. Shiraishi, K. Kusunoki: Peformance of a honeycomb monolith bioreactor in a gas-liquid-solid three-phase system, Ind. Eng. Chem. Res. 28 (1989) 394–400.[2]  A.N. Tsoligkas, M.J.H. Simmons, J. Wood: Influence of orientation upon the hydrodynamics of gas-liquid flow in square channels in monolith supports,  Chem. Eng. Sci. 62 (2007) 4365–4378.[3]  T.C. Thulasidas, M.A. Abraham, R.L. Cerro: Flow patterns in liquid slugs during bubble-train flow inside capillaries, Chem. Eng. Sci. 52 (1997) 2947–2962. [4]  N.M. Natarajan, Lakshmanan: Laminar flow in rectangular ducts: prediction of velocity profiles & friction factor, Ind. J. Technol. 10 (1972) 435–438.[5]  A. Onea, M. Wörner, D.G. Cacuci: A qualitative computational study of mass transfer in upward bubble train flow through square and rectangular mini-channels, Chem. Eng. Sci. 64 (2009) 1416–1435.[6]  H. Liu, C.O. Vandu, R. Krishna: Hydrodynamics of Taylor flow in vertical capillaries: flow regimes, bubble rise velocity, liquid slug length, and pressure drop, Ind. Eng. Chem. Res. 44 (2005) 4884–4897. 1 EinführungMonolith-Reaktoren für heterogen katalysierte Mehrphasenprozesse• Keramische Trägerstruktur• Quadratische Kanäle• Hydraulischer Durchmesser dhca. 0,5 mm – 3 mm • Katalytisch beschichtete Wände• Anwendung z.B. für dieFischer-Tropsch-SyntheseVorteile der Taylor-Strömung• Große spezifische Phasengrenzfläche • Reduzierte axiale Dispersion   • Kurzer Diffusionsweg von der Blase zur Wand• Gute Durchmischung im Flüssigkeitspfropfen durch Rezirkulationsströmung• Sehr gute Wärme- und Stoffübertragung2 ProblemstellungEinfluss der Orientierung des Kanals auf die Effizienz der Stoffübertragung• Kawakami et al. [1]: VolumetrischeStoffübertragungskoeffizienten G-L und L-S sind in Aufwärts- höher als in Abwärtsström. • Tsoligkas et al. [2] begründen dies miteiner kürzeren Rezirkulations-Zeit imFlüssigkeitspfropfen bei Aufwärtsströmung   • Definition der Rezirkulations-Zeit:Verhältnis der Zeit, die ein Flüssigkeits-Teilchen benötigt, um sich vom einen zum  anderen Ende des Flüssigkeitspropfens  zu bewegen, zu der Zeit, die der Flüssigkeitspropfen benötigt, um sich eine seiner eigenen Länge entsprechendenStrecke weiter zu bewegen3 Theoretische ErgebnisseTheoretische Analyse der Rezirkulations-Zeit3.1 Kreisförmiger Kanalquerschnitt (siehe [3])3.2 Rechteckiger Kanalquerschnitt02B 002 ( ) drU r V r r r  2B2( ) 2 1rV r J UR     V(r) = Geschwindigkeit im mit-bewegten SystemJ = (QG+QL)/A = Gesamt-Leerrohrgeschwindigkeit10 B0 RohrB1( ) 0 12 2r U JV rR J U            122231,3,5 2B B35 51,3,5cosh( 1)1 coscosh64( , ) ( , )192 11 tanh2nna nan bn anzynV y z u y z U J Ua n bb n a          LB B( mit und 1 2)UCaUCaJ     max( , ) 1 1m ny zu y z Ua b                       1,41 1 11,7 2 0,3 für2 3 3b b bm na a a              111011 1101d(1 )11(1 )d(1 )m nmm n nmuuunnuuu         m nm n m n  1 11 BU m nJ m n   Approximation von Natarajan & Lakshmanan  [4]:4 Numerische ErgebnisseVoF-Simulation der Taylor-Strömung im quadratischen Mini-Kanal [5]4.1 Auswertung der Rezirkulations-Zeit über der Kapillar-Zahl Ca4.2 Simulation zum Stoffübergang (Speziestransport von Wand in Kern) 5 Schlussfolgerungen• Die Rezirkulations-Zeit ist eine eindeutige Funktion von  = UB/ J• Bei gleichem J ist  in Aufwärts- größer als in Abwärtsstr. (Auftriebskraft)• Bei gleicher Kapillar-Zahl ist die Rezirkulations-Zeit größer in Aufwärts-als in Abwärtsströmung (Widerspruch zu experiment. Ergebnissen in [2]) • Der Stoffübergang G-L und L-S ist kleiner in Aufwärts- als in Abwärtsstr.Aufwärtsströmung                                   Abwärtsströmungt = 0 st = 0 st = 60 mst = 60 msc c

Theoretische und numerische Untersuchungen zum Strofftransport in auf- und abwärts gerichteter Taylor-Strömung

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Theoretische und numerische Untersuchungen zum Strofftransport in auf- und abwärts gerichteter Taylor-Strömung

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