Turbulente Strömung – Problemlösung

Karbonisierung ist ein Prozess, der dazu verwendet wird, Kohlendioxidgas in einer Flüssigkeit aufzulösen. Er wird häufig bei der Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken verwendet. Um eine effiziente Karbonisierung zu erreichen, müssen Temperatur, Druck und Strömungsbedingungen sorgfältig kontrolliert werden. Durch Anpassen dieser Parameter kann die Karbonisierungseffizienz maximiert werden, wodurch eine höhere CO_2-Konzentration in der Flüssigkeit entsteht.

Die Temperatur ist ein Schlüsselfaktor für die CO_2-Löslichkeit. In diesem Fall werden das CO_2-Gas und die Flüssigkeit auf 20 °C abgekühlt. Niedrigere Temperaturen verbessern die Löslichkeit von CO_2, wodurch sich ein größeres Gasvolumen in der Flüssigkeit auflösen kann. Bei dieser Temperatur wird das CO_2-Gas auf etwa 550 kPa unter Druck gesetzt. Erhöhter Druck erhöht den CO_2-Partialdruck über der Flüssigkeit und treibt die Auflösung weiter voran.

CO_2 wird durch ein Verbindungsrohr zwischen zwei Tanks gepumpt, wobei die Strömungseigenschaften entscheidend für die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Karbonisierung sind. Eine hohe Reynoldszahl, definiert als größer als 4000, weist darauf hin, dass die Strömung turbulent und nicht laminar ist. Turbulente Strömung verbessert den Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit, indem sie die Vermischung fördert, was wiederum die CO_2-Auflösung in der Flüssigkeit verbessert. Die Reynoldszahl (Re) wird mit der folgenden Gleichung berechnet:

wobei:

• ρ die Dichte von CO_2 ist,
• v die Strömungsgeschwindigkeit ist,
• D der Rohrdurchmesser ist,
• μ die dynamische Viskosität von CO_2 ist.

Die Strömungsrate von CO_2 in diesem System wird durch den Querschnitt des Rohrs und die Geschwindigkeit des Gases gesteuert. Um turbulente Bedingungen aufrechtzuerhalten, wird die Strömungsgeschwindigkeit v basierend auf der gewünschten Reynoldszahl angepasst, wodurch der erforderliche Rohrdurchmesser berechnet werden kann.

Die Reynoldszahlgleichung kann umgestellt werden, um den Rohrdurchmesser für die erforderliche turbulente Strömung zu bestimmen. Die dynamische Viskosität μ von CO_2 bei 20 °C wird mithilfe von physikalischen Eigenschaftstabellen ermittelt. Der optimale Rohrdurchmesser kann berechnet werden, indem diese Werte zusammen mit der Ziel-Reynoldszahl und der Fließgeschwindigkeit in die Gleichung eingesetzt werden. Diese Konfiguration gewährleistet einen effizienten CO_2-Transport durch das System und optimiert die Karbonisierungsbedingungen der Flüssigkeit.