Μελέτη στήλης φυσαλίδων με πορώδη κατανομέα της αέριας φάσης

Abstract

Bubble columns are gas-liquid contractors encountered in a wide range of applications such as absorption, wastewater treatment, fermentation, blood oxygenation, bio-reactions, due to a number of advantages they have both in design and operation. Although there is an extensive literature on bubble column performance, limited information is available concerning the behavior of bubble columns equipped with porous plate sparger. The scope of this thesis is to study the operation of a bubble column with porous gas sparger by conducting experiments both in macroscopic and microscopic scale. The effect of the liquid phase properties, the addition of surfactants in the liquid phase and the sparger characteristics (i.e., pore size and sparger diameter) on the gas holdup, the transition from the homogeneous to the heterogeneous regime and the size of the produced bubbles was studied by performing experiments in macroscopic scale with two cylindrical columns (9.0 and 14.2 cm i.d.). In an attempt to shed light into the coalescence mechanism between under formation bubbles at adjacent pores, experiments in microscopic scale were carried out. The experimental set-up consisted of a small vertical column (cell) with a square cross section (side length 4 cm), while two vertical stainless steel microtubes (110 μm i.d.) at various distances were used for the gas injection. The experiments revealed that both the transition to the heterogeneous regime and the gas holdup are practically unaffected by the liquid phase viscosity, although an increase in it favors the formation of small and numerous bubbles. The addition of small amounts of surface tension reducing substances in the liquid phase inhibits bubble coalescence, leading to a shift of the transition to the heterogeneous regime to relatively high gas flow rates and to a great increase of the gas holdup. This behavior, which depends on both the surfactant concentration and type, can be ascribed mainly to the structure of the surfactant molecules. Consequently, surfactants can be employed in order to both expand the boundaries of the homogeneous regime and increase the available interfacial area. The sparger characteristics also affect the column operation. As the mean pore size decreases, gas holdup increases, while transition to the heterogeneous regime occurs at lower gas flow rate, since more pores are activated for the same gas flow rate. In addition, the use of a sparger with smaller diameter results in transition to the heterogeneous regime at lower gas flow rates. The experiments in the microscopic scale contributed to the elucidation of the bubble formation process and of the coalescence mechanism. Three different types of coalescence process can be distinguished between two bubbles growing at adjacent tubes, depending on the stage of the bubble expansion at which coalescence occurs. It is speculated that the coalescence mechanism is also affected by the shear stress developed in the liquid film between the two bubbles. Both the expansion velocity of the two bubbles and the liquid phase viscosity influence the size of this stress, affecting the coalescence probability and frequency. New correlations of general validity have also been formulated which predict the transition point to the heterogeneous regime, the gas holdup and the initial mean Sauter diameter of the bubbles at the homogeneous regime and are expected to contribute to the better design of this type of equipment. From the experiments in the microscopic scale, two more correlations were formulated which predict the coalescence time between bubbles growing at adjacent tubes and the size of the daughter bubble produced at the breakage-due-to-coalescence mechanism. The latter correlations can be used for the better simulation of bubble interactions using CFD codes. Finally, a commercial CFD code was employed for the simulation of the bubble column operation, where the boundary conditions were set by using the findings of the experimental study. It was proven that the code can adequately predict the column behavior at the homogeneous regime, although it fails at the heterogeneous regime.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της λειτουργίας μιας στήλης φυσαλίδων με πορώδη κατανομέα της αέριας φάσης τόσο σε μακροσκοπική όσο και μικροσκοπική κλίμακα. Εξετάσθηκε επισταμένως η επίδραση των φυσικών ιδιοτήτων της υγρής φάσης, της προσθήκης επιφανειοδραστικών ουσιών στην υγρή φάση, καθώς και της διαμέτρου και του μεγέθους των πόρων του κατανομέα στο κλάσμα κενού, στο σημείο μετάβασης από την ομογενή στην ετερογενή περιοχή και στο μέγεθος των παραγόμενων φυσαλίδων. Παράλληλα, διεξήχθησαν συστηματικά πειράματα σε μικροσκοπική κλίμακα με στόχο να ερμηνευθεί ο μηχανισμός συνένωσης των φυσαλίδων που δημιουργούνται σε δύο γειτονικούς πόρους. Τα πειράματα στη μακροσκοπική κλίμακα έδειξαν ότι το ιξώδες της υγρής φάσης έχει πρακτικά αμελητέα επίδραση τόσο στο κλάσμα κενού όσο και στη μετάβαση στην ετερογενή περιοχή. Από την άλλη μεριά, αύξηση του ιξώδους οδηγεί στην παραγωγή περισσότερων και μικρότερων φυσαλίδων, ενώ ευνοείται και η συνένωσή τους πάνω στον πορώδη κατανομέα. Η προσθήκη στην υγρή φάση ουσιών που μειώνουν την επιφανειακή τάση εμποδίζει σε μεγάλο βαθμό τη συνένωση των φυσαλίδων, με αποτέλεσμα τη μετατόπιση του σημείου μετάβασης στην ετερογενή περιοχή σε υψηλότερες παροχές αέριας φάσης και την αύξηση του κλάσματος κενού. Η συμπεριφορά αυτή εξαρτάται σημαντικά από τη συγκέντρωση και τον τύπο του επιφανειοδραστικού και πιστεύεται ότι οφείλεται πρωτίστως στη δομή των μορίων της ουσίας και όχι στη μείωση της επιφανειακής τάσης του διαλύματος. Κατά συνέπεια, οι επιφανειοδραστικές ουσίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μέσο αύξησης αφενός του εύρους της ομογενούς περιοχής λειτουργίας μιας στήλης φυσαλίδων και αφετέρου της διαθέσιμης διεπιφάνειας μεταξύ των δύο φάσεων, αμφότερα πολύ επιθυμητά στην αποδοτική λειτουργία μιας στήλης φυσαλίδων. Σημαντική στη λειτουργία της στήλης είναι, η επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του κατανομέα. Η μείωση του μεγέθους των πόρων του οδηγεί σε μεγαλύτερες τιμές του κλάσματος κενού και αλλαγή της περιοχής ροής σε χαμηλότερη παροχή αέρα, επειδή για την ίδια παροχή αέρα ενεργοποιούνται περισσότεροι πόροι. Αντίστοιχα, όσο μικρότερη είναι η διάμετρος του κατανομέα τόσο χαμηλότερη είναι η ταχύτητα μετάβασης στην ετερογενή περιοχή. Τα πειράματα στη μικροσκοπική κλίμακα συνέβαλαν στην καλύτερη κατανόηση του τρόπου αλληλεπίδρασης και του μηχανισμού συνένωσης των φυσαλίδων. Η συνένωση δύο γειτονικών φυσαλίδων μπορεί να γίνει με τρεις τρόπους, οι οποίοι επηρεάζουν το τελικό μέγεθος της προκύπτουσας φυσαλίδας. Ταυτόχρονα, τόσο η παροχή της αέριας φάσης όσο και το είδος της υγρής φάσης επιδρούν στη συχνότητα συνένωσης. Στο μηχανισμό της συνένωσης δύο σχηματιζόμενων φυσαλίδων, σημαντικός φαίνεται ότι είναι ο ρόλος τη διατμητικής τάσης που αναπτύσσεται στη μεταξύ τους στιβάδα, κατά το στάδιο αύξησης του όγκου τους. Τόσο η σχετική ταχύτητα διόγκωσης των φυσαλίδων όσο και το ιξώδες της υγρής φάσης μεταβάλουν το μέγεθος της τάσης αυτής, επηρεάζοντας την πιθανότητα συνένωσης. Προτάθηκαν, ακόμη, νέοι γενικευμένοι συσχετισμοί που προβλέπουν το σημείο μετάβασης στην ετερογενή περιοχή, το κλάσμα κενού και την αρχική μέση διάμετρο Sauter των φυσαλίδων στην ομογενή περιοχή και αναμένεται να συμβάλλουν στον καλύτερο σχεδιασμό συσκευών αυτού του είδους. Από τα πειράματα στη μικροσκοπική κλίμακα, προέκυψαν επίσης νέοι συσχετισμοί οι οποίοι προβλέπουν το χρόνο συνένωσης των φυσαλίδων που σχηματίζονται σε δύο γειτονικά σωληνάκια και το μέγεθος της θυγατρικής φυσαλίδας που δημιουργείται κατά το μηχανισμό διάσπασης από συνένωση. Οι συσχετισμοί αυτοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καλύτερη προσομοίωση της αλληλεπίδρασης των φυσαλίδων στην στήλη. Χρησιμοποιήθηκε, τέλος, εμπορικός κώδικας υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) για την προσομοίωση της στήλης και αξιοποιήθηκαν τα ευρήματα της μελέτης για τον ορισμό των αρχικών και συνοριακών συνθηκών. Αποδείχθηκε ότι, στην ομογενή περιοχή, ο κώδικας μπορεί να προβλέπει με ικανοποιητική ακρίβεια τις σημαντικότερες σχεδιαστικές παραμέτρους της στήλης.