Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden grundlagenorientierte Untersuchungen an flüssigkeitsdurchströmten Wirbelschichten magnetischer Partikel durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Kombinationen von äußeren Magnetfeldern und Partikeltypen in Hinblick auf die Stoffübergangscharakteristik verglichen. Eingesetzt wurden schwach saure Ionenaustauscher- und Inertpartikel mit Einschlüssen von Maghemit sowie Alginatpartikel mit Magnetiteinschlüssen. Im Einzelnen wurden folgende Betriebsmodi untersucht:

1. Konventionelle Wirbelschicht (FB)
2. Wirbelschicht magnetischer Agglomerate (MFB)
3. Magnetisch stabilisierte Wirbelschicht (field-first-MSFB und flow-first-MSFB)
4. Magnetisch durchmischte Wirbelschicht (MSR)

In den MSFB-Modi führt das Ausrichten der Partikel zu Ketten im Vergleich zu konventionellen Wirbelschichten zu geringeren Widerstandskräften des Fluids auf die Partikel und ermöglicht dadurch wesentlich höhere Durchsätze ohne die Gefahr eines Partikelaustrags. Die Untersuchungen zeigen zudem, daß der Magnetfeldeinfluß bei flüssigkeitsgetragenen Wirbelschichten zu einem deutlichen Rückgang der Stoffübergangskoeffizienten führen kann. Dies ist insbesondere bei verhältnismäßig kleinen Partikeln der Fall. Die ineffiziente Bettdurchströmung, die mit der Tendenz von MSFBs zur Ausbildung von Strömungskanälen einhergeht, kann als Ursache hierfür angesehen werden. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es dabei erstmalig, diesen Zusammenhang quantitativ zu beschreiben.

Das Stoffübergangsverhalten von magnetisch gerührten Wirbelschichten, in denen magnetische Partikel unter Einfluß eines magnetischen Wechselfeldes durchströmt werden ("Magnetically stirred reactor", MSR), wurde in Abhängigkeit der angelegten Frequenz und der Strömungsgeschwindigkeit untersucht. Das magnetische Wechselfeld erzeugt ein auf die Partikel wirkendes Drehmoment und initiiert dadurch eine Rotation der Partikel in Phase mit der Feldfrequenz. Dieser Effekt bewirkt, aufgrund einer erhöhten Relativgeschwindigkeit zwischen Austauschoberfläche und Fluidströmung, eine Abnahme der Dicke der diffusiven Grenzschicht. Hierdurch verringert sich der Diffusionsweg und es werden höhere Stoffübergangswerte erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es erstmalig, Stofftransportkoeffizienten in einem MSR quantitativ zu ermitteln. Dabei wurden für den MSR bis zu vierfach höhere Stoffübergangsraten als in der herkömmlichen Wirbelschicht bestimmt.

Mass Transfer in Liquid Fluidized Beds of Magnetic Particles

Abstract

The work described here focused on fundamental studies regarding fluidized beds of magnetic particles passed by a liquid flow. Various combinations of external magnetic fields and particle types were compared in terms of mass transfer characteristics. Weakly acid ion exchanger and inert particles with inclusions of maghemite as well as alginate particles with magnetite inclusions were applied. In detail, the following operation modes were investigated:

1. Conventional fluidized bed (FB)
2. Fluidized bed of magnetic agglomerates (MFB)
3. Magnetically stabilized fluidized bed (field-first MSFB and flow-first MSFB)
4. Magnetically stirred reactor (MSR)

Compared to conventional fluidized beds, orientation of particles in the form of chains during the MSFB modes leads to smaller resistance forces of the fluid acting on the particles and, thus, allows for much higher flow rates without the risk of particle discharge. Moreover, it is demonstrated by the studies that the influence of the magnetic field may lead to a significant reduction of the mass transfer coefficients of liquid-borne fluidized beds. This particularly applies to relatively small particles. It is possibly due to an inefficient flow through the bed and the tendency of MSFBs to form flow channels. Within the framework of the work performed, this relationship could be described quantitatively for the first time.

The mass transfer behavior of magnetically stirred reactors, where magnetic particles are passed by a flow under the influence of an alternating magnetic field, was studied as a function of the applied frequency and flow rate. The alternating magnetic field generates a torque that acts on the particles and, thus, initiates a rotation of the particles in phase with field frequency. This effect causes an increased relative velocity between the exchange surface and fluid flow and consequently results in a decreasing thickness of the diffusive boundary layer. The diffusion path is reduced and higher mass transfer values are reached. Within the framework of the work performed, it was succeeded for the first time to quantitatively determine mass transfer coefficients in a MSR. The mass transfer rates in the MSR were found to exceed those of conventional fluidized beds by a factor of up to four.