Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultraschnelle Röntgentomographie enthüllt Black Box

05.02.2015

Statische Mischer kommen in vielen Bereichen der Prozessindustrie zum Einsatz – beispielsweise bei der Abwasserbehandlung. Direkt in Rohre installiert, werden sie verwendet, um Strömungen, zum Beispiel aus Gas und Flüssigkeit, zu vermischen. Zwar lässt sich die Mischgüte, die mit diesen Bauteilen erreicht wird, messen, die zugrundeliegenden Prozesse konnten bislang aber nicht beschrieben werden. Forschern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gelang dies nun zum ersten Mal. Sie nutzten dafür die eigens entwickelte ultraschnelle Röntgentomographie. Die Einblicke helfen, das Design statischer Mischer zu verbessern – was zu einer effizienteren Energienutzung führen würde.

Einer der häufigsten Prozesse der chemischen Industrie ist das Verteilen und Lösen von Gas in Flüssigkeiten. Neben klassischen Anlagen wie Rührkessel und Blasensäulen werden dafür verstärkt sogenannte statische Mischer eingesetzt. Bei dieser Methode mixen ausgeklügelte Anordnungen von Mischelementen, wie spiralförmige Flügel oder gekreuzte Stege, direkt in der Rohrleitung verschiedene Stoffe, zum Beispiel Gas und Flüssigkeit. „Wie genau dieser Prozess abläuft, wissen wir bislang nicht“, erklärt Dr. Markus Schubert vom Institut für Fluiddynamik am HZDR. „Wir haben es quasi mit einer Black Box zu tun, bei der wir erst nach der Mischstrecke das Ergebnis erfahren.“ Detaillierte Kenntnisse sind aber notwendig, „da die Kräfte, die dabei wirken, auch dazu führen könnten, dass das Gas und die Flüssigkeit getrennt werden, was fatal wäre“, erläutert der Ingenieur. Optimale Designparameter sind deshalb äußerst wichtig.


Statische Mischer, wie hier grafisch dargestellt, sollen direkt in Rohrsystemen Strömungen vermischen. Forscher des HZDR lieferten zum ersten Mal Einblicke in die Prozesse, die sich dabei abspielen.

HZDR/Michael Voigt

Reine Simulationen mit dem Computer, die oft für solche Probleme eingesetzt werden, sind bisher nicht ausreichend leistungsstark, da die Strömungen zu chaotisch sind. Der Dresdner Forscher hat deswegen gemeinsam mit seinen Kollegen eine neuartige Methode eingesetzt: die ultraschnelle Röntgentomographie. Das Prinzip ist dabei das gleiche wie bei der medizinischen Anwendung. Der „Patient“ ist in diesem Fall jedoch kein Mensch, sondern die Strömung aus Gas und Flüssigkeit. „Diese ist jedoch sehr dynamisch. Daher müssen wir eine schnellere Methode nutzen“, beschreibt Schubert die Herausforderung.

1.000 Bilder in nur einer Sekunde
Ein schnell ablenkbarer Elektronenstrahl wird dafür auf ein Target aus Wolfram gerichtet. Dadurch entsteht eine bewegliche Röntgenquelle, so dass die Strömung aus allen Richtungen durchstrahlt werden kann. Diese Strahlung wird von der Flüssigkeit stärker und vom Gas weniger geschwächt. Aus vielen einzelnen Röntgenprojektionen lassen sich anschließend Schnittbilder rekonstruieren, mit denen Schubert die Strömung analysieren kann. 1.000 Bilder in nur einer Sekunde sind so kein Problem. Selbst einzelne, in der Flüssigkeit verteilte Gasblasen und deren Weg durch die Mischsegmente werden auf diese Weise leicht sichtbar.

Vor allem die Blasengrößenverteilung interessiert Markus Schubert: „Der Stofftransport erfolgt über die Oberflächen dieser Gasblasen. Kleine, feinverteilte Gasblasen intensivieren ihn, was gewünscht ist. Dabei soll möglichst wenig Energie, also in diesem Fall Pumpleistung, verbraucht werden. Im untersuchten Mischer mit spiralförmig angeordneten Flügeln konkurrieren allerdings verschiedene physikalische Prozesse miteinander. Einerseits zerteilen die Turbulenzen die Blasen. Andererseits verschmelzen sie teilweise auch wieder, da die Zentrifugalkräfte die leichtere Gasphase von dem schwereren Stoff, also der Flüssigkeit, trennen.“

Um zu testen, welche Auswirkung die Mischerelemente auf die Strömung und die Blasenbildung haben, variierten die Dresdner Wissenschaftler systematisch die Länge der Mischstrecke und die Stoffmengenströme. Für die untersuchten Bedingungen bestimmten sie den Leistungseintrag und die Verteilung unterschiedlicher Blasengrößen. „Wir konnten zeigen, dass bei spiralförmigen Elementen das Ziel des Mischprozesses, also möglichst viele kleine Blasen, durch die erwähnte Separation der beiden Stoffe seine Grenzen hat. Daraus können wir Rückschlüsse für die optimale Anordnung der Einbauten und die Länge der Strecke ziehen.“

Insgesamt konnten die Rossendorfer Wissenschaftler mit ihrer kürzlich veröffentlichten Studie (Chemical Engineering Journal / DOI:10.1016/j.cej.2014.09.019) wichtige Parameter für den optimalen Betrieb statischer Mischer ermitteln. Um die Wechselwirkungen zwischen Design und Strömung noch genauer zu erkunden, wollen sie nun weitere Mischerstrukturen analysieren – Untersuchungen, die die Industrie im Gegensatz zu Forschungszentren nicht leisten kann, wie Schubert betont: „Für Unternehmen kommt es natürlich darauf an, welcher Mischertyp ein gutes Endergebnis – also einen guten Stofftransport – bringt. Deshalb greifen sie auf bewährte Designanordnungen zurück. Das heißt aber nicht, dass das auch die besten sind.“ An dieser Stelle setzen Forscher, wie Markus Schubert, an.

Publikation:
S. Rabha, M. Schubert, F. Grugel, M. Banowski, U. Hampel, „Visualization and quantitative analysis of dispersive mixing by a helical static mixer in upward co-current gas-liquid flow”, in: Chemical Engineering Journal, 262 (2015) 527-540, DOI:10.1016/j.cej.2014.09.019.

Weitere Informationen:
Dr. Markus Schubert
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel. +49 351 260-2627 | E-Mail: m.schubert@hzdr.de

Medienkontakt:
Simon Schmitt | Wissenschaftsredakteur
Tel. +49 351 260 3400 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de | www.hzdr.de

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie.
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR ist seit 2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte in Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble und beschäftigt rund 1.000 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Weitere Informationen:

https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=43755

Simon Schmitt | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften