Wesentliche Erkenntnisse

  • Das Strömungsregime — die räumliche Anordnung der Phasen in einer Mehrphasenströmung — bestimmt direkt Stoffübergangskoeffizienten, Druckverlust und Reaktionseffizienz.
  • In vertikaler Gas-Flüssig-Strömung unterscheidet man fünf primäre Regime: Blasen-, Pfropfen-, Schwallen-, Ring- und Zerstäubungsströmung. Jedes hat charakteristische hydrodynamische Eigenschaften.
  • Strömungskarten (Baker, Taitel-Dukler) sagen das Regime aus Leerrohrgeschwindigkeiten voraus, basieren aber auf Luft-Wasser-Daten — bei komplexen Industriefluiden und abweichenden Geometrien sinkt die Vorhersagegenauigkeit erheblich.
  • Die direkte Echtzeitmessung des Strömungsregimes über räumlich aufgelöste Querschnittsmessung ermöglicht erstmals eine Regelung auf das Regime selbst — nicht nur auf einen Proxy dafür.

Was ist ein Strömungsregime?

Fließen zwei oder mehr Phasen gleichzeitig durch ein System — etwa Gas und Flüssigkeit oder Flüssigkeit und Feststoff — verteilen sie sich nicht homogen im Querschnitt. Vielmehr bilden sie charakteristische räumliche Anordnungen, die vom Verhältnis der Phasengeschwindigkeiten, den Stoffeigenschaften (Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung), der Rohrgeometrie und der Strömungsrichtung abhängen. Diese Anordnungen nennt man Strömungsregime.

Die Unterscheidung ist keine akademische Feinheit. Je nach Regime unterscheiden sich spezifische Phasengrenzfläche, Turbulenzcharakter und Stoff- sowie Wärmeübergangskoeffizienten grundlegend. Eine Anlage, die für Blasenströmung ausgelegt wurde, verhält sich unter Pfropfen- oder Schwallströmung völlig anders — und meistens deutlich schlechter. Das Strömungsregime ist keine Nebengröße; es ist die Größe, die die Prozesseffizienz bestimmt.

Die fünf primären Regime in vertikaler Gas-Flüssig-Strömung

🫧

Blasenströmung

Diskrete Gasblasen in einer kontinuierlichen Flüssigphase. Hohe Phasengrenzfläche, guter Stoffübergang. Charakteristisch für niedrige Gasanteile und moderate Flüssigkeitsgeschwindigkeiten.

Niedriges εG
🔵

Pfropfenströmung

Große, bulletförmige Gastaschen (Taylor-Blasen), getrennt durch Flüssigkeitspfropfen. Stark dynamisch mit ausgeprägten Druckschwankungen. Häufig in vertikalen Rohren bei mittleren Gasdurchsätzen.

Intermittierend
🌀

Schwallströmung

Übergangsstadium zwischen Pfropfen- und Ringströmung: chaotisch, beide Phasen oszillierend kontinuierlich, keine stabile Struktur. Schwer zu modellieren; hohe Druckverlustvariabilität.

Transitional
💧

Ringströmung

Gas strömt als Hochgeschwindigkeitskern; Flüssigkeit bildet einen dünnen Wandfilm mit mitgerissenen Tropfen. Charakteristisch für hohe Gasgeschwindigkeiten. Niedriger Flüssigholdup, hoher Druckgradient.

Hohes uG
☁️

Zerstäubungsströmung

Flüssigkeit vollständig als Feintropfen in kontinuierlicher Gasphase mitgerissen. Tritt bei sehr hohen Gasgeschwindigkeiten auf. Stoffübergang begrenzt durch Tropfenoberfläche; in Reaktoranwendungen selten erwünscht.

Sehr hohes uG

In horizontalen Rohren verschiebt sich das Bild erheblich, weil die Schwerkraft nun senkrecht zur Strömungsrichtung wirkt. Stratifizierte Strömung (Flüssigkeit unten, Gas oben) und stratifiziert-wellige Strömung kommen hinzu — Regime, die in vertikaler Konfiguration gar nicht auftreten. Genau diese Geometrieabhängigkeit macht universelle Vorhersagemodelle so schwierig.

Warum das Strömungsregime in industriellen Prozessen entscheidend ist

Stoffübergang und Reaktionsleistung

Der volumetrische Stoffübergangskoeffizient kLa ist direkt proportional zur spezifischen Phasengrenzfläche — die je nach Strömungsregime um eine Größenordnung schwankt. Blasenströmung mit vielen kleinen Blasen bietet typischerweise die größte Austauschfläche und damit die besten Voraussetzungen für Gas-Flüssig-Reaktionen. Pfropfenströmung dagegen verringert die effektive Grenzfläche und erzeugt periodische Flüssigkeitspfropfen mit kaum Gaskontakt. Schwallströmung sieht turbulent aus, liefert aber wegen der instabilen Phasenverteilung oft enttäuschende Stoffübergangswerte.

Überall dort, wo der Stoffübergang über die Gas-Flüssig-Grenzfläche der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist — bei Oxidations-, Hydrierungs- und aeroben Fermentationsprozessen etwa — legt das Strömungsregime die Reaktionsgeschwindigkeit fest. Ein Regimewechsel von Blasen- zu Pfropfenströmung bei gleichen Leerrohrgeschwindigkeiten kann die effektive Reaktionsrate um 30–50 % senken.

Druckverlust und Energieverbrauch

Auch der Druckverlust hängt stark vom Strömungsregime ab. Pfropfenströmung erzeugt ausgeprägte intermittierende Druckimpulse; Schwallströmung führt zu hohen, stark schwankenden Druckgradienten; bei Ringströmung erhöht die Schubspannung an der Gas-Flüssig-Grenzfläche den Druckverlust gegenüber einphasiger Strömung erheblich. Anlagen, die für ein bestimmtes Regime ausgelegt wurden, sind unter- oder überspezifiziert, sobald der Betriebspunkt in ein anderes Regime kippt. Pumpen und Verdichter, die auf Blasenströmungsbedingungen ausgelegt sind, können unter Pfropfen- oder Schwallbedingungen die erforderlichen Fördermengen schlicht nicht mehr liefern.

Erosion, Vibration und Anlagenintegrität

Pfropfenströmung belastet Rohrleitungen mechanisch erheblich. Flüssigkeitspfropfen, die mit hoher Geschwindigkeit durch Bögen, Armaturen und Formstücke schießen, erzeugen Drucktransienten und Querkräfte, die in einphasigen Auslegungsrechnungen schlicht nicht auftauchen. Im Dauerbetrieb kann unerkannte Pfropfenströmung den Rohrverschleiß beschleunigen, Instrumentierungsanschlüsse durch Ermüdung lockern und Schwingungen in Tragkonstruktionen anregen. Pfropfenströmung frühzeitig zu erkennen ist deshalb auch ein Thema der Anlagenintegrität — nicht nur der Prozesseffizienz.

Strömungskarten: Möglichkeiten und Grenzen

Strömungskarten stellen das zu erwartende Regime in Abhängigkeit von Gas- und Flüssigkeits-Leerrohrgeschwindigkeiten grafisch dar und sind das Standardwerkzeug zur Regimeidentifikation im Ingenieurwesen. Geläufig sind vor allem die Baker-Karte (1954, horizontale Strömung) und das Taitel-Dukler-Modell (1976, vertikale und geneigte Strömung), das Barnea (1987) und andere später erweiterten.

Grenzen von Strömungskarten in der Praxis

  • Abgeleitet aus Luft-Wasser-Daten: Die meisten Grundlagenkarten wurden mit Luft und Wasser unter Umgebungsbedingungen entwickelt. Industrielle Fluide — hochviskose Öle, Fermentationsbrühe, Polymerlösungen — weisen erheblich abweichende Oberflächenspannung, Viskosität und Dichteverhältnisse auf, die die Regimegrenzen deutlich verschieben.
  • Geometrieabhängigkeit: Strömungskarten setzen kreisrunde Rohrströmung voraus. Nichtrunde Geometrien, Rohrneigung und Formstücke verschieben Übergangsgrenzlinien in nicht durch Standardkorrelationen erfasster Weise.
  • Keine dynamische Information: Eine Strömungskarte gibt das erwartete Regime bei stationären Bedingungen an. Sie sagt keine Regimeübergänge bei Laständerungen, Anfahrvorgängen oder Betriebsstörungen voraus.
  • Keine Rückkopplung für die Regelung: Ein Regelkreis kann nicht auf eine Strömungskarte aufgeschlossen werden — sie ist ein Prognosewerkzeug, keine Messung. Weicht das tatsächliche Regime vom vorhergesagten ab, gibt es kein Signal zum Eingreifen.

Die praktische Konsequenz daraus: In den meisten Industriebetrieben ist das Strömungsregime eine angenommene, keine gemessene Größe. Ingenieure legen Betriebspunkte so fest, dass nach Strömungskarte das gewünschte Regime entstehen sollte — ob das wirklich der Fall ist, bleibt ungeprüft. Prozessvariabilität, wechselnde Einsatzstoffzusammensetzungen und Anlagenalterung lassen das tatsächliche Regime von der Auslegungsannahme abweichen, ohne dass irgendein Messsignal darauf hinweist.

Dimensionslose Kennzahlen bei Regimeübergängen

Regimeübergänge entstehen aus dem Kräftegleichgewicht zwischen Trägheit, Gravitation, Viskosität und Oberflächenspannung. Dieses Gleichgewicht wird durch dimensionslose Kennzahlen beschrieben, die in der Mehrphasenströmungsanalyse eine zentrale Rolle spielen:

Dimensionslose KennzahlDefinitionBedeutung für Strömungsregime
Froude-Zahl (Fr)Trägheits- / GravitationskräfteSteuert Blasen-Pfropfen-Übergang in vertikaler Strömung; Stratifizierung in horizontaler Strömung
Weber-Zahl (We)Trägheits- / OberflächenspannungskräfteBestimmt Blasenaufbruch und -koaleszenz; maximale stabile Blasengröße
Morton-Zahl (Mo)Schwerkraft · Viskosität / OberflächenspannungCharakterisiert Blasenform; kombiniert Fluideigenschaften zur Korrektur von Strömungskarten
Eötvös-Zahl (Eo)Gravitations- / OberflächenspannungskräfteBestimmt Blasenform: sphärisch, ellipsoid oder kappenförmig
Reynolds-Zahl (Re)Trägheits- / ViskositätskräfteBestimmt Turbulenzintensität innerhalb jeder Phase; beeinflusst Grenzflächenwiderstand

Daran lässt sich auch ablesen, warum Regime-Vorhersagen auf Basis von Luft-Wasser-Daten für viskose oder oberflächenaktive Fluide versagen: Die Morton-Zahl einer viskosen Fermentationsbrühe weicht um mehrere Größenordnungen vom Luft-Wasser-System ab — der Blasen-Pfropfen-Übergang verschiebt sich damit zu ganz anderen Leerrohrgeschwindigkeiten. Das ist in der deutschen Fachliteratur gut dokumentiert, unter anderem im VDI-Wärmeatlas und in Veröffentlichungen der DECHEMA-Fachgemeinschaft Mehrphasenströmung.

Echtzeitmessung des Strömungsregimes

Wer das Strömungsregime in industriellen Prozessen direkt und kontinuierlich erfassen will, braucht Sensoren, die die räumliche Phasenverteilung über den Rohr- oder Behälterquerschnitt mit hinreichender Zeitauflösung aufnehmen — schnell genug, um die dynamischen Merkmale jedes Regimes abzubilden.

Die charakteristischen Signaturen sind in Querschnittsdaten klar erkennbar:

  • Blasenströmung — gleichmäßige oder leicht ungleichmäßige Verteilung der leitfähigen Flüssigphase mit dispers eingelagerten Gasbereichen; zeitlich relativ stabil.
  • Pfropfenströmung — periodischer Wechsel zwischen flüssigkeits- und gasdominiertem Querschnitt; Taylor-Blasen erscheinen als asymmetrische, niedrigleitfähige Zone mit umgebendem Wandfilm.
  • Schwallströmung — chaotisch wechselnde Querschnittsmuster ohne stabile Phasenstruktur; der lokale Phasenanteil schwankt stark.
  • Ringströmung — niedrigleitfähiger Gaskern, umgeben von einem hochleitfähigen Flüssigkeitsfilm; räumlich stabiles Radialmuster mit variabler Filmdicke.

Mit über 1.000 Aufnahmen pro Sekunde und 256 bis 10.000 Messpixeln löst der quantropIQ-Sensor diese Muster mit ausreichender zeitlicher und räumlicher Auflösung auf, um das Strömungsregime kontinuierlich zu klassifizieren — auf Basis der tatsächlich gemessenen Phasenverteilung, nicht einer statischen Strömungskarte.

Das macht erstmals eine geschlossene Regelung auf das Strömungsregime möglich. Gaszuführrate, Rührleistung oder Zulaufvolumenstrom lassen sich in Echtzeit so nachführen, dass das Zielregime gehalten wird — nicht die Zielleerrohrgeschwindigkeit. Geregelt wird damit auf die Größe, die die Prozessleistung tatsächlich bestimmt, nicht auf einen Ersatzwert.

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Weiterführende Artikel

Literatur & weiterführende Quellen

  1. Taitel, Y., & Dukler, A. E. (1976). A model for predicting flow regime transitions in horizontal and near horizontal gas-liquid flow. AIChE Journal, 22(1), 47–55. AIChE Journal →
  2. Baker, O. (1954). Simultaneous flow of oil and gas. Oil and Gas Journal, 53, 185–195. Grundlegende Strömungskarte für horizontale Rohre.
  3. Barnea, D. (1987). A unified model for predicting flow-pattern transitions for the whole range of pipe inclinations. International Journal of Multiphase Flow, 13(1), 1–12. ScienceDirect →
  4. Ishii, M., & Hibiki, T. (2011). Thermo-Fluid Dynamics of Two-Phase Flow, 2. Auflage. Springer. Springer →
  5. VDI-Wärmeatlas, 12. Auflage (2019). Springer Vieweg. Standardreferenz für Wärme- und Stoffübertragung in der deutschen Prozesstechnik, einschließlich Zweiphasenströmung. VDI →
  6. Schlünder, E. U. (Hrsg.) (1983). VDI Heat Atlas. VDI-Verlag. Klassisches deutsches Referenzwerk mit umfassenden Kapiteln zu Mehrphasenströmung.
  7. DECHEMA e.V. — Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie, Frankfurt. Fachliteratur und Tagungsbände zur Mehrphasenströmung und Prozessintensivierung. DECHEMA →
  8. Clift, R., Grace, J. R., Weber, M. E. (1978). Bubbles, Drops, and Particles. Academic Press. Autoritative Referenz zur Blasendynamik.