Strömungsmechanik und Stoffaustausch in reaktiven Sprays

Sprühvorgänge sind in vielen Sparten der industriellen Produktion verbreitet. Exemplarisch seien der Einsatz von Flüssigkeiten in Form von Sprays in der Lebensmittelverarbeitung der chemischen und pharmazeutischen Industrie, sowie in der Umwelttechnik genannt. Ein wachsendes Interesse an der Analyse dieser Sprühvorgänge besteht in Hinsicht auf eine Prozeßoptimierung. Im Bereich der Abluftreinigung und im speziellen der Rauchgaswäsche werden häufig chemische Additive im Waschmedium eingesetzt, um Schadstoffe spezifisch und effektiv abzuscheiden. Das Forschungsprogramm untersucht die komplexen Zusammenhänge, die bei den simultanen Absorptions- und Desorptionsvorgängen in Sprays beim Quenchen von Prozeßabgasen auftreten. Beim Eindüsen eines chemisch reaktiven Waschmediums in einen Heißgasstrom stehen Spray und Gas im strömungsmechanischen und thermodynamischen Sinn im Ungleichgewicht. Gekoppelte Austauschvorgänge von Wärme, Stoff und Impuls laufen zwischen den Medien ab. Simultan zu der Wasserverdunstung von der Tropfenoberfläche kann eine Absorption von Schadkomponenten im Tropfen stattfinden. Unter bestimmten Umständen fördert die von der Verdunstung verursachte Abkühlung die Schadstoffabsorption im Tropfen und kann damit eine Verbesserung der Abscheideleistung bewirken. In einer numerischen Simulation der Spray/Gas-Zweiphasenströmung in Gasreinigungsanlagen muß die Beschreibung der Stoffaustauschvorgänge der Verdunstung, der Absorption und der begleitenden chemischen Reaktionen eingebunden werden. Das Berechnungsmodul für den Chemismus besteht aus ionischen Gleichgewichtsreaktionen und zusätzlichen kinetischen Vorgängen, das in Form eines gemischten differentiellen- algebraischen Gleichungssystems im Rahmen der numerischen Strömungsfeldberechnung mitgelöst werden muß. Die numerischen Berechnungen sollen von experimenteller Seite durch Messungen an fallenden Einzeltropfen und Tropfenketten begleitet werden. Es ist weiters geplant, die Simulationsergebnisse an Hand von Experimenten an einer Gas-Quenchkammer im Labormaßstab zu validieren.

Sprühvorgänge sind in vielen Sparten der industriellen Produktion verbreitet. Ein wachsendes Interesse an der Analyse umwelttechnischer Sprayanwendungen besteht bezüglich einer Prozessoptimierung, im Sinne einer effektiven Schadstoffabscheidung bei geringen Anlagenbetriebskosten. Im Bereich der Abluftreinigung und im speziellen der Rauchgaswäsche werden häufig Additive im Waschmedium eingesetzt, um Schadstoffe spezifisch und effektiv abzuscheiden. Im Besonderen wird für eine detailierte Betrachtung der Mechanismus der Rauchgasentschwefelung nach dem Kalkstein-Waschverfahren herausgegriffen. Das Forschungsprogramm untersucht dabei die komplexen strömungs-mechanischen und chemischen Zusammenhänge, die bei der Reinigung von Rauchgasen in Sprühtürmen von kalorischen Kraftwerken, sowie bei der Konditionierung und raschen Abkühlung von Industrieofenabgasen durch Eindüsen von Kühlwasser auftreten. Beim Eindüsen eines chemisch reaktiven Waschmediums in Rohgasströme stehen Spray und Gas strömungsmechanisch und thermodynamisch im Ungleichgewicht. Daher laufen gekoppelte Austauschvorgänge von Wärme, Stoff und Impuls zwischen den Medien ab. Ausgehend von Fragenstellungen aus der Sichtweise des Anlagenbaues und Anlagen-betriebes werden mathematische Modelle auf der Beschreibungsebene der Einzeltropfen im Spray entwickelt. Damit werden die physikalischen und chemischen Mechanismen abgebildet, die der Abscheidung von Schadkomponenten aus dem Rohgas, wie beispielsweise dem Schwefeldioxid, zu Grunde liegen. Durch Einbettung der Beschreibungs-ansätze in eine Software zur numerischen Strömungsfeldberechnung wurde ein Werkzeug entwickelt, das dem Verfahrensingenieur zusätzlich zur Simulation der Strömungszustände in Anlagen auch die Visualisierung wichtiger Prozessgrößen, wie der Temperaturverteilung und der lokalen Schadstoffkonzentration in Rauchgasreinigungsanlagen, gestattet. Die numerischen Berechnungen wurden von experimenteller Seite durch Messungen im Labor- und im Pilotmaßstab untermauert. Ein Versuchs-Gaswäscher zur Untersuchung chemischer Einflüsse auf die Abscheideleistung wurde als Technikumsanlage errichtet. Stichworte: chemisch reaktive Sprays, Chemisorption, Verdunstung von Sprühtropfen, Spray/Gas-Zweiphasenströmung, Quenchen von Prozessabgas, Rauchgasentschwefelung, Sprühturm.