Versuch Verweilzeit. Zielstellung: Untersuchung der Verweilzeitcharakteristik mikrofluidischer Bauteile.

Transkript

1 Versuch Verweilzei Zielsellung: Unersuchung er Verweilzeicharakerisik mikrofluiischer Baueile. Grunlagen: In mikrofluiischen Baueilen mi gergem Kanalurchmesser is ie lamare Srömung as vorherrschene Flussregime. Turbulene Srömungen können nur uner exremen Begungen erzeug weren. Das vorherrschene parabolie Srömungsprofil führ abei zu eer ausgeprägen Dispersion (Abb 1. l Abb.1: Geschwigkeisprofil un Dispersion eem Mikrokanal Z.B. is im Falle von parallelen Mikrokanälen ie aufreene Dispersion gerger als eem Kanal mi gleichem Querschni (Abb.. l Abb. : Geschwigkeisprofil un Dispersion parallelen Kanälen Komplexe Srömungsvorgänge nerhalb ees Mikromischers haben een sarken Efluss auf ie Dispersion un hängen sowohl von er Geomerie es Mischers als auch von Flussrae un Viskosiä er Lösungen ab. Die unerschielichen Geomerien von Mikromischern führen zu unerschielich wirkenen Mechanismen zur Resrukurierung von Fluilamellen nerhalb es Baueils un haben somi sarken Efluss auf ie Dispersion. Dies führ zu unerschielichen Aufenhalsauern ezelner Volumenelemene nerhalb es

2 Mikromischers. Je nach Geomerie kann es hierbei auch zu Zonen sagnierener Fluie kommen. Durch Unersuchung er Verweilzeivereilung kann ie Häufigkei er Aufenhalsauer ezelner Volumenelemenen besimm weren. Abb. 3: Dispersion eem Mikromischer Zur Unersuchung er Verweilzeieigenschafen von Mikroreakoren un Kapillaren wir ie Mehoe er Pulsmarkierung egesez. Hierbei wir e Markierpuls (Farbsoff im Zuführungskanal erzeug un essen Form vor un her em mikrofluiischen Baueil eekier (Abb. 4. Die Änerung er Pulsform wir urch ie spezifische Dispersion nerhalb es unersuchen Baueils bewirk. Die resulierene Verweilzeivereilung (RTD gib an wie lange sich ee Volumenfrakion nerhalb es Baueils aufgehalen ha. Die Änerung er Verweilzeivereilungen is auf en mi er Flussrae variierenen Efluss folgener Effeke zurückzuführen: - Dispersion urch as raiale Geschwigkeisprofil - Resrukurierung es Fluis urch Mischoperaionen nerhalb ees Mischers - Molekulare Diffusion - Aufreen von Sekunär Flow Effeken wie z.b. saische Wirbel - Turbulene Vermischung bei hohen Re-Zahlen bzw. hohem Druckverlus.

3 Farbsoff Wasser Phoomeer Messsellen Schlauch Injekionsvenil 1µL Mikroreakor Farbsoff Konzenraion E( Zei [s] 0 C( C( ou C ou Abb. 5: Pulsverlauf eem mikrofluiischen Sysem ( C ( C ( ' E( ' ' Gl. 1 0 ε [ C ( C ( ] m ou C calc ou ( C ( Gl. Zur Ermilung er Verweilzeivereilung wir ee Pulsmarkierungsmessung urchgeführ un e Verweilzei Moell an ie Messaen angepass. Hierzu weren ie Moellparameer so lange opimier, bis ee besmögliche Überesimung es gemessenen Response-Signals mi em berechneen Response Signal erziel wir (Gl.. Die aus em Moell resulierene Verweilzeivereilung E(T weren für unerschieliche Flussraen besimm. Die milere Verweilzei wir mi Hilfe von Gl. besimm. Um ie Verweilzeivereilungen E( für unerschielicher Flussraen vergleichen zu können wir mi Hilfe von Gl. 4 un Gl. 5 ie imensionslose Verweilzei θ berechne. E ( [ ] θ [ ] s Gl. 3 Gl. 4 E ( θ E( Gl. 5

4 E Moell zu Beschreibung er Verweilzeivereilung is as Dispersionsmoel nach Gl. 6. Die iale Pecle-Zahl Pe beschreib hierbei ie Dispersion ialer Richung nach Gl. 7. Der iale Dispersionskoeffizien D is abei vom molekularen Diffusionskoeffizien D M, eem Geomeriefakor χ, er mileren Srömungsgeschwigkei w un em Rohrraius R abhängig. E Pe Pe ( 3 (1 4 1 e [ ] 4 π Pe w R [ ] DAx s Gl. 6 Gl. 7 D w DM χ m D Gl. 8 m s w υ h Re [ ] v Sc [ ] D M Gl. 9 Gl. 10 Zur Beschreibung er Verweilzeivereilung E( können ebenfalls empirische Moelle wie z.b. Gl. 9 egesez weren. Die resulierenen Verweilzeivereilungsfunkionen von Mikroreakoren können hiermi häufig exaker beschreiben weren. E( A e e W1 ( T W ( T Gl. 11 Als Maß für ie Sreuung er Verweilzeivereilung um ie milere Verweilzei wir ie Varianz σ ( Gl. 1 sowie σ (θ Gl. 13verwene. σ ( ( E( [ ] Gl. 1 σ ( θ σ ( ( θ 1 E( θ θ Gl. 13

5 Versuchsaufbau: Abb. 1.: Schema Versuchsaufbau Aufgabensellung: 1 Messen Sie ie Verweilzeivereilung für ie Mischer M1 M6 für ie Flussraen: 50, 50, 500, 750, 1000, 1500, 000, 500, 3000, 4000, 5000 µl/m. Enscheien Sie welches Moell zur Beschreibung er Verweilzeivereilung am besen geeigne ersche un berechnen Sie ami E (θ 3 Sellen Sie ie Verweilzeivereilungen E (θ als Diagramme ar 4 Diskuieren Sie ie Ergebnisse Versuchsurchführung Nach Eweisung urch en Versuchsbereuer is zur Durchführung es Versuches ie Seuerungssofware konfigurier weren. Zur Auswerung wir ee am Versuchsplaz vorhanene Sofware egesez. Lieraur: Baerns, A.Behr, A. Brehm, J. Gmehl, H. Hofmann, U. Onken, A. Renken, Technische Chemie, Wiley-VCH, 006, Seie 167ff.