Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) zijn met röntgentomografie er voor het eerst in geslaagd om de elementaire basis van het mengsel van gemixt afvalwater te bepalen. Statische mixers worden in veel gebieden van de procesindustrie gebruikt, zoals bij de behandeling van afvalwater. Als ze direct in de buis worden geïnstalleerd zorgen ze zo bijvoorbeeld voor stroming om gas en vloeistof te vermengen.
Een van de meest voorkomende processen in de chemische industrie is het verdelen en oplossen van gas in vloeistoffen. Naast klassieke installaties als roerinstallaties en beluchtingszuilen worden steeds vaker zogenaamde statische mixers toegepast. Bij deze methode mixen uitgekiende opstellingen van mengelementen, zoals een spiraalvormige vleugel of kruisvormige bruggen, de verschillende stoffen zoals bijvoorbeeld gas en vloeistof direct in de buis.
“Hoe dit proces precies verloopt weten we tot nu toe niet”, verklaart dr. Markus Schubert van het Institut für Fluiddynamik am HZDR. “We hebben hier te maken met een zogenaamde blackbox, waardoor we pas na het meten het resultaat krijgen. Gedetailleerde kennis is echter noodzakelijk, omdat krachten die daarbij voorkomen ook kunnen zorgen dat gas en vloeistof gescheiden worden. Dat is eigenlijk fataal”, verklaart de ingenieur. Optimale parameters voor het ontwerp zijn daarom uiterst belangrijk.
Alleen de simulaties met de computer, die vaak worden gebruikt bij dergelijke problemen, zijn tot nu toe niet voldoende geweest, omdat de stromingen te chaotisch zijn. De onderzoekers uit Dresden hebben daarom samen met collega’s een nieuwe methode toegepast: de ultrasnelle röntgen tomografie. Het principe is hetzelfde als die van de medische toepassing. De patiënt is in dit geval geen mens maar de stroming van gas en vloeistof. “Deze is nogal dynamisch. Daarom moeten we een snellere methode gebruiken”, aldus Schubert over de uitdaging.
1.000 beelden per seconde
Een snel bestuurbare elektronenstraal wordt daarbij gericht op een doel, gemaakt van wolfram. Daardoor ontstaat een beweeglijke röntgenbron, zodat de stroming vanuit alle richtingen kan worden doorstraald. Deze straling wordt door vloeistof meer en door gas minder afgezwakt. Uit veel losse röntgenprojecties kunnen daarmee afbeeldingen worden gereconstrueerd, waarmee de stroming kan worden geanalyseerd. 1000 beeldjes in een seconde zijn op deze manier geen probleem. Zelfs aparte, in de vloeistof verdeelde gasbellen en hun afgelegde weg door de mengsegmenten worden op deze manier gemakkelijk zichtbaar gemaakt.
Vooral de verdeling van de grootte van de bellen heeft de interesse van Markus Schubert. “De stof transport verloopt langs de oppervlakken van deze gasbellen. Kleine, fijn verdeelde gasbellen intensiveren dit, wat ook gewenst is. Hierbij moet zo min mogelijk energie, dus hier pompvermogen, worden verbruikt. In de onderzochte mixers met spiraalvormig opgestelde vleugels concurreren de verschillende fysische processen met elkaar. Aan de ene kant verdelen turbulenties de bellen. Aan de andere kant smelten ze weer gedeeltelijk samen, omdat de centrifugale krachten de lichtere gasfase van de zwaardere stof, hier de vloeistof, scheiden”.
Bepaling mengtraject
Om te testen welke gevolgen de mixerelementen hebben op de stroming en de bellenvorming wisselden de wetenschappers de lengte van het mengtraject en de hoeveelheden. Van de onderzochte omstandigheden bepaalden ze het benodigde vermogen en de verdeling van de verschillende grootte van de bellen. “We konden aantonen, dat bij spiraalvormige elementen het doel van het mengproces, dus zoveel mogelijk kleine bellen, door de genoemde scheiding van de beide stoffen bepaalde grenzen heeft. Daaruit konden we conclusies trekken voor de optimale opstelling van de installaties en de lengte van het traject”.
Met hun onlangs gepubliceerde studie konden de wetenschappers uit Rossendorf belangrijke parameters vaststellen voor het optimale gebruik van statische mixers. Om de wisselwerking tussen ontwerp en stromingen nog beter te kunnen onderzoeken willen ze nog andere mixerstructuren analyseren. Onderzoeken, die de industrie zich, in tegenstelling tot de onderzoekscentra, niet kan veroorloven. “Voor ondernemingen is het belangrijk dat het mixertype een goed eindresultaat, dus een goede stoftransport, levert. Daarom vallen zij terug op de beproefde ontwerpvormen. Dat betekent niet dat deze ook het beste zijn”. Op dit punt beginnen onderzoekers zoals Markus Schubert weer.