Co2-absoption in natronlauge bei der taylor-strömung in millikanälen - konzentrationsprofile im slug

doi:doi:10.35097/1698

Co2-absoption in natronlauge bei der taylor-strömung in millikanälen - konzentrationsprofile im slug

Abstract: Dieser Datensatz wurde im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Reaktive Blasenströmungen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft erhoben. Betrachtet wurde die chemische Absorption von CO2 in Natronlauge in einer Borosilikatglaskapillare mit einem Querschnitt von 2 mm × 2 mm. Die vorliegenden Versuchsbedingungen führten zur Ausbildung der reaktiven Gas/Flüssig-Taylor-Strömung, einer stabilen und reproduzierbaren Strömungsform.

Mithilfe eines speziell adaptierten Laser-Raman-Analysesystems konnten die Konzentrationsprofile der Produkte Karbonat und Bikarbonat im Pfropfen zwischen den Blasen ermittelt werden. Die beiden Techniken, Mach-Zehnder-Off-Axis-Holographie und das direktes Schattenverfahren, wurden äquivalent verwendet und auf das Raman-System synchronisiert. So konnten zusätzliche Informationen bezüglich der Blasengröße und -geschwindigkeit sowie der Position der Raman-Messung relativ zur Blase erfasst werden.

Die im Rahmen dieser Arbeit experimentell erhobenen zeit- und ortsaufgelösten Messungen bilden die Grundlage für ein besseres Verständnis von Gas/Flüssig-Reaktionen. Sie sollen zur Validierung bestehender und neuer dreidimensionaler CFD-Modelle dienen, welche die Hydrodynamik, den Stoffübergang und -transport sowie die Reaktion und deren Zusammenspiel bei der Taylor-Strömung berücksichtigen. Abstract: This data set was collected as part of the priority program "Reactive Bubbly Flows" of the German Research Foundation. The chemical absorption of CO2 in sodium hydroxide solution in a borosilicate glass capillary with a cross-section of 2 mm × 2 mm was considered. The experimental conditions led to the formation of the reactive gas/liquid Taylor flow, a stable and reproducible flow pattern

Using a specially adapted laser Raman analysis system, the concentration profiles of the products carbonate and bicarbonate in the plug between the bubbles could be determined. The two techniques, Mach-Zehnder off-axis holography and the direct shadow method, were used equivalently and synchronized to the Raman system to acquire additional information regarding bubble size and velocity as well as the position of the Raman measurement relative to the bubble.

The temporally and spatially resolved measurements experimentally collected in this work form the basis for a better understanding of gas/liquid reactions. They will be used to validate existing and new three-dimensional CFD models that consider hydrodynamics, mass transfer and transport as well as reaction and their interaction in the Taylor flow. TechnicalRemarks: Die Versuche wurden in einer Borosilikatglaskapillare mit einem inneren Querschnitt von 2 mm × 2 mm durchgeführt. Die Taylor-Strömung wurde mit einer Injektionsnadel im co-flow erzeugt. Am Eintritt wurde das Verhältnis der Gas- und Flüssigvolumenströme, die Gesamtleerrohrgeschwindigkeit, sowie das Verhältnis von CO2 zu N2 in der Gasphase variiert. Es wurde mit 1 M und 2 M Natronlauge gearbeitet. Die Konzentrationsprofile wurden nur im Flüssigkeitspfropfen zwischen den Blasen aufgenommen.

Es handelt sich um zwei Datensätze: erstens die in-situ mit dem Raman-Analyse-System ermittelten Konzentrationsprofile des Karbonats und des Bicarbonats und ergänzend die offline ermittelte Blasengröße.

Konzentrationsprofile - RamanData.csv: Die Ausdehnung des Detektionsvolumen der konfokalen Optik des Laser-Raman-Systems wurde experimentell zu 15 μm × 15 μm × 70 μm bestimmt. Die Messdauer wurde durch die Pulsdauer des Lasers von 10 μs definiert. Die Produkte Karbonat und Bikarbonat konnten mit einer Nachweisgrenze von 0,04 mol/L bzw. 0,05 mol/L detektiert werden. Mit dem Schattenverfahren betrug die Messunsicherheit 3 % für Sluglänge und Blasengeschwindigkeit bzw. 8 % für die Bestimmung der Position des Messpunktes relativ zur Blase. Die Genauigkeit konnte mit dem holographischen Verfahren um Faktor zwei verbessert werden. Bei der reproduzierbaren Taylor-Strömung ermöglicht die Analyse einer Vielzahl an Messpunkten die Rekonstruktion der Konzentrationsfelder im Slug um die Blase.

Der Datensatz enthält 22880 Messpunkte mit den folgenden Daten: 1: 'expNo' bezieht sich auf die in der Dissertationsschrift veröffentlichte Nummerierung der verschiedene Versuchsbedingungen 2: 'distancez(height)' Abstand zur Kontaktierung von Gas und Flüssigkeit / mm 3: 'distancey(lateral)' Versatz lateral zum Kanalzentrum in mm (siehe Abb. 7.14, S. 182 in der Dissertationsschrift) 4: 'distancex(frontal)' Versatz frontal zum Kanalzentrum in mm (siehe Abb. 7.14, S. 182 in der Dissertationsschrift) 5: 'Konz. CO3in mol/l' mit dem Raman-System ermittelte Karbonatkonzentration in mol/L 6: 'Konz. HCO3mol/L' mit dem Raman-System ermittelte Bikarbonatkonzentration in mol/L 7: 'distanceto cap' Abstand des Messpunkts zur Blasenkappe der nachfolgenden Blase in μm 8: 'distanceto tail' Abstand des Messpunkts zum Blasenende der vorangehenden Blase in μm 9: 'sluglengthin um' Sluglänge in μm 10: 'velocityin m/s' Geschwindigkeit der Blase in m/s 11: 'J_NaOHin ml/min' Volumenstrom der Natronlauge am Kanaleintritt in mL/min 12: 'NaOH_invalue in mol/l' Konzentration der Natronlauge am Kanaleintritt in mol/L 13: 'J_N2in ml/min' Volumenstrom des Stickstoffs am Kanaleintritt in mL/min 14: 'J*_CO2in ml/min' Volumenstrom des Kohlenstoffdioxids am Kanaleintritt in mL/min 15: 'Temp.inlet gas' Temperatur des Gasgemisches am Kanaleintritt in °C 16: 'Temp.inlet liquid' Temperatur der Natronlauge am Kanaleintritt in °C 17: 'Temp.outlet' Temperatur am Kanalaustritt in °C 18: 'Datum' Aufnahmedatum des Messpunkts

Blasenlänge - BubbleLength.csv: Die Blasenlänge wurde im Anschluss an die Raman-Messungen mithilfe einer Spiegelreflexkamera (Canon EOS 400D Digital, 3888 × 2592 Pixel, Verschlusszeit 1/200 s, Blitzdauer 80 μs) untersucht. Für jedes Experiment wurde aus mehreren Bildern die Blasenlänge abhängig vom Abstand zur Kontaktierung ermittelt.

Der Dataframe enthält für jedes Experiment mit expNo X und den Eingangsbedingungen entsprechend des ersten Dataframes den Abstand des Blasenzentrums der betrachteten Blase zur Kontaktierung 'expX_y/mm' in mm und die Blasenlänge 'expX_lB/mm' in mm.

1: 'exp1_y/mm' 2: 'exp1_lB/mm' 3: 'exp2_y/mm' 4: 'exp2_lB/mm' 5: 'exp3_y/mm' 6: 'exp3_lB/mm' 7: 'exp4_y/mm' 8: 'exp4_lB/mm' 9: 'exp5_y/mm' 10: 'exp5_lB/mm' 11: 'exp6_y/mm', 12: 'exp6_lB/mm', 13: 'exp7_y/mm', 14: 'exp7_lB/mm' 15: 'exp8_y/mm' 16: 'exp8_lB/mm' 17: 'exp9_y/mm' 18: 'exp9_lB/mm' 19: 'exp10_y/mm' 20: 'exp10_lB/mm' 21: 'exp11_y/mm' 22: 'exp11_lB/mm' 23: 'exp12_y/mm' 24: 'exp12_lB/mm' 25: 'exp13_y/mm' 26: 'exp13_lB/mm' 27: 'exp14_y/mm' 28: 'exp14_lB/mm' 29: 'exp15_y/mm' 30: 'exp15_lB/mm' 31: 'exp16_y/mm' 32: 'exp16_lB/mm' 33: 'exp17_y/mm' 34: 'exp17_lB/mm' 35: 'exp18_y/mm' 36: 'exp18_lB/mm' 37: 'exp19_y/mm' 38: 'exp19_lB/mm' 39: 'exp20_y/mm' 40: 'exp20_lB/mm' 41: 'exp21_y/mm' 42: 'exp21_lB/mm' 43: 'exp22_y/mm' 44: 'exp22_lB/mm' 45: 'exp23_y/mm' 46: 'exp23_lB/mm' 47: 'exp24_y/mm' 48: 'exp24_lB/mm' 49: 'exp25_y/mm' 50: 'exp25_lB/mm' 51: 'exp26_y/mm' 52: 'exp26_lB/mm'

Details zum Versuchsaufbau, den Auswerteroutinen sowie den Messunsicherheiten sind der zugehörigen Dissertationsschrift und den Veröffentlichungen zu entnehmen.

BibTex:

@dataset{Lonsdorfer_Daniela_2023,
    abstract = {Abstract: Dieser Datensatz wurde im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Reaktive Blasenströmungen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft erhoben. Betrachtet wurde die chemische Absorption von CO2 in Natronlauge in einer Borosilikatglaskapillare mit einem Querschnitt von 2 mm × 2 mm. Die vorliegenden Versuchsbedingungen führten zur Ausbildung der reaktiven Gas/Flüssig-Taylor-Strömung, einer stabilen und reproduzierbaren Strömungsform.

Mithilfe eines speziell adaptierten Laser-Raman-Analysesystems konnten die Konzentrationsprofile der Produkte Karbonat und Bikarbonat im Pfropfen zwischen den Blasen ermittelt werden.
Die beiden Techniken, Mach-Zehnder-Off-Axis-Holographie und das direktes Schattenverfahren, wurden äquivalent verwendet und auf das Raman-System synchronisiert. So konnten zusätzliche Informationen bezüglich der Blasengröße und -geschwindigkeit sowie der Position der Raman-Messung relativ zur Blase erfasst werden.

Die im Rahmen dieser Arbeit experimentell erhobenen zeit- und ortsaufgelösten Messungen bilden die Grundlage für ein besseres Verständnis von Gas/Flüssig-Reaktionen. Sie sollen zur Validierung bestehender und neuer dreidimensionaler CFD-Modelle dienen, welche die Hydrodynamik, den Stoffübergang und -transport sowie die Reaktion und deren Zusammenspiel bei der Taylor-Strömung berücksichtigen.
Abstract: This data set was collected as part of the priority program "Reactive Bubbly Flows" of the German Research Foundation. The chemical absorption of CO2 in sodium hydroxide solution in a borosilicate glass capillary with a cross-section of 2 mm × 2 mm was considered. The experimental conditions led to the formation of the reactive gas/liquid Taylor flow, a stable and reproducible flow pattern

Using a specially adapted laser Raman analysis system, the concentration profiles of the products carbonate and bicarbonate in the plug between the bubbles could be determined. The two techniques, Mach-Zehnder off-axis holography and the direct shadow method, were used equivalently and synchronized to the Raman system to acquire additional information regarding bubble size and velocity as well as the position of the Raman measurement relative to the bubble.

The temporally and spatially resolved measurements experimentally collected in this work form the basis for a better understanding of gas/liquid reactions. They will be used to validate existing and new three-dimensional CFD models that consider hydrodynamics, mass transfer and transport as well as reaction and their interaction in the Taylor flow.
TechnicalRemarks: Die Versuche wurden in einer Borosilikatglaskapillare mit einem inneren Querschnitt von 2 mm × 2 mm durchgeführt. Die Taylor-Strömung wurde mit einer Injektionsnadel im co-flow erzeugt. Am Eintritt wurde das Verhältnis der Gas- und Flüssigvolumenströme, die Gesamtleerrohrgeschwindigkeit, sowie das Verhältnis von CO2 zu N2 in der Gasphase variiert. Es wurde mit 1 M und 2 M Natronlauge gearbeitet. Die Konzentrationsprofile wurden nur im Flüssigkeitspfropfen zwischen den Blasen aufgenommen.

Es handelt sich um zwei Datensätze: erstens die in-situ mit dem Raman-Analyse-System ermittelten Konzentrationsprofile des Karbonats und des Bicarbonats und ergänzend die offline ermittelte Blasengröße.

Konzentrationsprofile - RamanData.csv:
Die Ausdehnung des Detektionsvolumen der konfokalen Optik des Laser-Raman-Systems wurde experimentell zu 15 μm × 15 μm × 70 μm bestimmt. Die Messdauer wurde durch die Pulsdauer des Lasers von 10 μs definiert. Die Produkte Karbonat und Bikarbonat konnten mit einer Nachweisgrenze von 0,04 mol/L bzw. 0,05 mol/L detektiert werden. Mit dem Schattenverfahren betrug die Messunsicherheit 3 % für Sluglänge und Blasengeschwindigkeit bzw. 8 % für die Bestimmung der Position des Messpunktes relativ zur Blase. Die Genauigkeit konnte mit dem holographischen Verfahren um Faktor zwei verbessert werden. Bei der reproduzierbaren Taylor-Strömung ermöglicht die Analyse einer Vielzahl an Messpunkten die Rekonstruktion der Konzentrationsfelder im Slug um die Blase.

Der Datensatz enthält 22880 Messpunkte mit den folgenden Daten:
1: 'expNo' bezieht sich auf die in der Dissertationsschrift veröffentlichte Nummerierung der verschiedene Versuchsbedingungen
2: 'distancez(height)' Abstand zur Kontaktierung von Gas und Flüssigkeit / mm
3: 'distancey(lateral)' Versatz lateral zum Kanalzentrum in mm (siehe Abb. 7.14, S. 182 in der Dissertationsschrift)
4: 'distancex(frontal)' Versatz frontal zum Kanalzentrum in mm (siehe Abb. 7.14, S. 182 in der Dissertationsschrift)
5: 'Konz. CO3in mol/l' mit dem Raman-System ermittelte Karbonatkonzentration in mol/L
6: 'Konz. HCO3mol/L' mit dem Raman-System ermittelte Bikarbonatkonzentration in mol/L
7: 'distanceto cap' Abstand des Messpunkts zur Blasenkappe der nachfolgenden Blase in μm 
8: 'distanceto tail' Abstand des Messpunkts zum Blasenende der vorangehenden Blase in μm
9: 'sluglengthin um' Sluglänge in μm
10: 'velocityin m/s' Geschwindigkeit der Blase in m/s
11: 'J*_NaOHin ml/min' Volumenstrom der Natronlauge am Kanaleintritt in mL/min
12: 'NaOH_invalue in mol/l' Konzentration der Natronlauge am Kanaleintritt in mol/L
13: 'J*_N2in ml/min' Volumenstrom des Stickstoffs am Kanaleintritt in mL/min
14: 'J*_CO2in ml/min' Volumenstrom des Kohlenstoffdioxids am Kanaleintritt in mL/min
15: 'Temp.inlet gas' Temperatur des Gasgemisches am Kanaleintritt in °C
16: 'Temp.inlet liquid' Temperatur der Natronlauge am Kanaleintritt in °C
17: 'Temp.outlet' Temperatur am Kanalaustritt in °C
18: 'Datum' Aufnahmedatum des Messpunkts

Blasenlänge - BubbleLength.csv:
Die Blasenlänge wurde im Anschluss an die Raman-Messungen mithilfe einer Spiegelreflexkamera (Canon EOS 400D Digital, 3888 × 2592 Pixel, Verschlusszeit 1/200 s, Blitzdauer 80 μs) untersucht. Für jedes Experiment wurde aus mehreren Bildern die Blasenlänge abhängig vom Abstand zur Kontaktierung ermittelt.

Der Dataframe enthält für jedes Experiment mit expNo X und den Eingangsbedingungen entsprechend des ersten Dataframes den Abstand des Blasenzentrums der betrachteten Blase zur Kontaktierung 'expX_y/mm' in mm und die Blasenlänge 'expX_lB/mm' in mm.

1: 'exp1_y/mm'
2: 'exp1_lB/mm'
3: 'exp2_y/mm'
4: 'exp2_lB/mm'
5: 'exp3_y/mm'
6: 'exp3_lB/mm'
7: 'exp4_y/mm'
8: 'exp4_lB/mm'
9: 'exp5_y/mm'
10: 'exp5_lB/mm'
11: 'exp6_y/mm',
12: 'exp6_lB/mm',
13: 'exp7_y/mm',
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17: 'exp9_y/mm'
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19: 'exp10_y/mm'
20: 'exp10_lB/mm'
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22: 'exp11_lB/mm'
23: 'exp12_y/mm'
24: 'exp12_lB/mm'
25: 'exp13_y/mm'
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27: 'exp14_y/mm'
28: 'exp14_lB/mm'
29: 'exp15_y/mm'
30: 'exp15_lB/mm'
31: 'exp16_y/mm'
32: 'exp16_lB/mm'
33: 'exp17_y/mm'
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39: 'exp20_y/mm'
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47: 'exp24_y/mm'
48: 'exp24_lB/mm'
49: 'exp25_y/mm'
50: 'exp25_lB/mm'
51: 'exp26_y/mm'
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Details zum Versuchsaufbau, den Auswerteroutinen sowie den Messunsicherheiten sind der zugehörigen Dissertationsschrift und den Veröffentlichungen zu entnehmen.},
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    institution = {RADAR},
    keyword = {'Bikarbonat', 'Blasengeschwindigkeit', 'Blasenlnge', 'CO2-Absorption', 'Karbonat', 'Konzentrationsprofile', 'Natronlauge', 'Pfropfenstrmung', 'Plug Flow', 'Raman-Spektroskopie', 'Slug', 'Taylor Strmung'},
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    year = {2023}
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