Μελέτη διφασικών ροών σε αναδευόμενα δοχεία:
Creators: name: Σαμαράς, Κωνσταντίνος Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2010
Subjects: Αναδευόμενα δοχεία
Αέριο - Υγρό
Ηλεκτρική αγωγιμομετρική τεχνική
Κατακράτηση αέρα
Stirred tanks
Gas - Liquid
Electric conductivity technique
Gas holdup

description: Για τον ορθολογικό σχεδιασμό ενός αναδευόμενου αντιδραστήρα Α-Υ είναι απαραίτητο να γίνει κατανοητή η επίδραση διαφόρων λειτουργικών παραμέτρων στο καθεστώς λειτουργίας. Η φύση της ροής στα αναδευόμενα δοχεία είναι πολύπλοκη και εξαρτάται από τη γεωμετρία και τις διάφορες λειτουργικές παραμέτρους. Επιπλέον, μεγέθη όπως η συνολική κατακράτηση αέρα (εg), η συνολική επιφάνεια φυσαλίδων (α) και ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς μάζας (kL) δίνουν μονάχα μία συνολική εικόνα. Η τοπική πληροφορία της ρευστοδυναμικής των διφασικών ροών απαιτείται για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του αντιδραστήρα και ενδεχομένως και την εντατικοποίηση της διεργασίας. Γι’ αυτό λοιπόν χρειάζονται μετρητικές τεχνικές, τόσο στην έρευνα όσο και στη βιομηχανία, για την μέτρηση χαρακτηριστικών ιδιοτήτων των ρευστών στους πολυφασικούς αντιδραστήρες. Ανάλογα με το σκοπό της ανάλυσης, απαιτούνται και διαφορετικοί τύποι μετρήσεων και είναι πολύ σημαντικό να διατηρείται η επάρκεια της μετρητικής τεχνικής όσον αφορά τη χωρική και χρονική ανάλυση. Για την παρούσα μελέτη επιλέχθηκε μία ηλεκτρική, αγωγιμομετρική τεχνική με δακτυλιοειδή ηλεκτρόδια, η οποία συνδυάζει την ευκολία χρήσης μιας απλής αγωγιμομετρικής τεχνικής με την ικανότητα συλλογής πολλών τοπικών πληροφοριών μιας τομογραφικής τεχνικής. Η βασική αυτή τεχνική, συνδυάστηκε και ταυτόχρονα επιβεβαιώθηκε η ακρίβειά της με τη χρήση ακόμα δύο τεχνικών: της μέτρησης της τοπικής υδροστατικής πίεσης και της βιντεοσκόπησης της ελεύθερης επιφάνειας. Τέλος, χρησιμοποιήθηκε μία φωτογραφική τεχνική για τη μέτρηση του μεγέθους των φυσαλίδων κοντά στα τοιχώματα. Το σύστημα του αναδευόμενου αντιδραστήρα που χρησιμοποιήθηκε, παραμετροποιήθηκε ως προς την ταχύτητα ανάδευσης, την παροχή αέρα και τις φυσικές ιδιότητες της υγρής φάσης: επιφανειακή τάση, ιξώδες και αλατότητα. Υπολογίστηκαν τα μεγέθη της τοπικής κατακράτησης αέρα κοντά στα τοιχώματα και στη δεύτερη στοιβάδα, η συνολική κατακράτηση αέρα στο δοχείο (με τρεις τεχνικές) και η κατανομή μεγέθους των φυσαλίδων. Επίσης, αναλύθηκαν τα δεδομένα της ηλεκτρικής τεχνικής κοντά στον πυθμένα με τη μέθοδο της Αποδέσμευσης Αερίου. Από τα αποτελέσματα που παρατέθηκαν, προέκυψαν τα συμπεράσματα ότι: -Η ακρίβεια της ηλεκτρικής τεχνικής είναι μεγάλη και εξαιρετικά ικανοποιητική.-Οι συνολικές κατακρατήσεις αερίου έδειξαν μία αμφιλεγόμενη (από τη βιβλιογραφία) συμπεριφορά ως προς το ιξώδες, παρουσιάζοντας αύξηση της κατακράτησης με αύξηση του ιξώδους μέχρι τα 5 mPa.s και με περαιτέρω αύξηση του ιξώδους μείωση της κατακράτησης. -Οι τοπικές κατακρατήσεις αερίου έδειξαν εξάρτηση από όλες τις μελετούμενες παραμέτρους, δίνοντας κατακόρυφα προφίλ με μέγιστο κοντά στο ύψος του αναδευτήρα. -Οι κατανομές μεγέθους φυσαλίδων έδειξαν ότι δεν έχουν εξάρτηση από τις μηχανικές παραμέτρους του συστήματος, υποδεικνύοντας ότι στον μετρητικό όγκο δεν υφίστανται φαινόμενα συνένωσης και διάσπασης φυσαλίδων. - Η ανάλυση των καμπυλών αποδέσμευσης υπέδειξε ότι η συμμετοχή των μικρών φυσαλίδων στη συνολική κατακράτηση παίζει σημαντικό ρόλο. Αποδείχθηκε ότι αυξάνεται η συμμετοχή τους (εις βάρος των μεγαλυτέρων), όταν μειώνεται η επιφανειακή τάση, ενώ με αύξηση του ιξώδους μειώνονται οι μικρές φυσαλίδες, χωρίς όμως να επηρεάζονται οι μεγάλες. Οι αποδείξεις αυτές επιβεβαίωσαν τις εξαρτήσεις της συνολικής κατακράτησης του δοχείου από τις φυσικές παραμέτρους.
description: For rational design of gas-liquid stirred reactors, it is vital to understand the effect of various operating parameters on the regime of operation. The nature of flow in stirred tanks is complex and in depends on various operating conditions and geometry. Moreover, the quantities such as overall gas holdup (εg) and overall mass transfer coefficients (kL) give only the global picture. Local information on hydrodynamics of two-phase flow is required for reliable design and process intensification. Reliable measuring techniques are therefore needed as well in academia as in industry for the rational description and the design of multiphase reactors. Depending on the aim of the analysis, different types of measurements are required and it is important to maintain an adequacy of space and time resolution of the technique used and the purpose of the study. In the present work, an electrical, conductimetric, technique with wall-mounted ring electrodes was chosen. This technique combines the ease of a simple conductimetric technique with the plentifulness of local measurements of a tomographic technique. This main technique was combined and in the same time verified, by hydrostatic pressure measurement and free surface video recording. Finally, a photographic technique was applied for the measurement of the bubble size distribution (BSD) near the vessel wall. The gas-liquid, stirred reactor system of the present study was customized for variable agitation speed, air volume supply and for the liquid phase physical properties of surface tension, viscosity and salinity. The following quantities were measured: local gas holdup near the tank wall (first layer) and at the second layer; total gas holdup for the reactor (by three techniques) and the BSDs. Also, the data from the electrical technique were analyzed with the Gas Disengagement method. From the gathered results it can be concluded that:-The accuracy of the electrical technique is very good and satisfactory.-Total holdups have shown an ambiguous (according to the current literature) behavior versus the viscosity of the liquid phase; the holdup is increasing with increased viscosity up to 5 mPa.s, while any farther increase leads to lowered holdup.-Local holdups are depended from all the studied parameters, demonstrating vertical profiles with a peak of holdup near the height of the impeller.-BSDs have shown a rational independence from the mechanical parameters of agitation speed and bubble supply, indicating the fact that at the measuring volume of the present study there aren’t present any coalescence nor breakage phenomena.-The Gas Disengagement analysis have shown that the participation of the small bubbles to the local holdup (and accordingly to the total holdup) is very important. It was proven that the participation of the small bubbles has increased (at the expense of the larger ones) by reducing the surface tension, while the increase in viscosity leads to decrease of small bubbles participation to the local holdup without affecting the larger ones. These remarks are in accordance with the dependencies of the total holdup measurements, observed for the physical properties parameters.