Vorteks mikserler: Gaz ve gaz-katı karışma için yeni stratejiler
Vortex mixers: New strategies for gas and gas solid mixing
Yazar: GÖZDE GEÇİM
Danışman: DOÇ. DR. ERTUĞRUL ERKOÇ
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Dönmeli akış = Swirl flow ; Gaz akışı = Gas flow ; Hidrodinamik = Hydrodynamics ; Parçacık görüntülemeli hız ölçümü = Particle imaging velocimetry ; Vorteks = Vortex

Özet:
Endüstriyel açıdan önemli kimyasal reaksiyonların çoğu gazların tek başına veya katı 
katalizör partikülleri varlığında karışmasını içermektedir. Katalizör aktivitesine ek 
olarak, reaktörün performansı akış hidrodinamiklerine bağlıdır. Reaksiyonun
verimliliği ve güvenliği açısından verimli karışmanın elde edilmesi de çok önemlidir. 
Gazların hızlı karışmasının gerekli olduğu tek faz endüstriyel reaktörler verimsiz 
karışmadan kötü etkilenirken, akışkan yatak reaktörler sıcak nokta oluşumu ve düşük 
verimliliğe sebep olan kanallaşma veya kümeleşme gibi homojen olmayan akış 
rejimlerinden kötü etkilenmektedir. İki veya daha fazla teğetsel zıt jet ve silindirik bir 
karışma çemberinden oluşan vorteks mikserler, jetlerin yakınında oluşan dönen 
vorteks hareketi ve hortum benzeri bir eksen etrafında dönen akışla karakterize 
edilmektedir. Bu reaktörler ile hem tek faz hem de çok fazlı akışlarda hızlı ve verimli 
karışma sağlanabilmektedir.
Bu tez kapsamında vorteks mikserdeki gaz akış hidrodinamikleri ve gaz-katı akış 
hidrodinamikleri iki bölümde çalışılmıştır. İlk bölümde, sunulan vorteks mikserde 
gazların akış hidrodinamiği, akış görüntüleme ve parçacık görüntülemeli hız ölçüm 
(PIV) tekniği kullanılarak Reynolds (𝑅𝑒) sayısı 20'den 280'e kadar olan bölgesi için 
araştırılmıştır. Teğetsel jetlerden gönderilen iki gaz akışının akış rejimi geçişleri,
akışın kritik 𝑅𝑒 sayısının belirlenmesi ile analiz edilmiştir. Metan gazı kullanılarak 
gerçekleştirilen gaz akış hidrodinamiği deneylerinde girdap hareketi 𝑅𝑒 = 70'te,
akıştaki düzensiz hareketler ise 𝑅𝑒 = 230 civarlarında oluşmaktadır. Bu bölgeye 
kadar, çember içerisindeki gaz karışma hidrodinamiği difüzyon mekanizması 
kontrollüdür. 𝑅𝑒 = 230'dan sonra kararsız yutulma akış rejimi oluşmakta ve taşınım 
(konveksiyon) mekanizması moleküler difüzyonu bastırmaktadır. 
Gazların fiziksel özelliklerinin akış hidrodinamiği ve kararsızlığın başlangıcı 
üzerindeki etkisini değerlendirmek için, viskozite ve yoğunluk farklılıklarından dolayı 
hidrojen, azot ve argon gazları seçilmiştir. Gazların çember içinde tam bir dönüş 
yaptığı akışın ilk kritik noktasının dinamik basınç olarak da tanımlanabilen atalet 
kuvvetlerine bağlı olduğu bulunmuştur. En yüksek kinematik viskoziteye sahip 
hidrojen akışı 𝑅𝑒 = 40'ta, azot ve argon gazları ise 𝑅𝑒 = 70'te tam dönüş hareketi 
göstermektedir. Bu noktalardan sonra, merkezkaç ve merkezcil kuvvetler arasındaki 
dengenin sonucu olarak sürekli halde bir dönen akış oluşumu gözlemlenmiştir. Benzer 
şekilde, kararsız yutulma rejiminin başlangıcı hidrojen akışı için 𝑅𝑒 = 150'de, azot
için 𝑅𝑒 = 200'de ve argon için 𝑅𝑒 = 220'de oluşmuştur. Bu çalışma, gaz 
özelliklerinin sadece kritik noktalarda değil, aynı zamanda vorteks mikserde oluşan 
girdaplı akış modelinin şekli üzerinde de etkili parametreler olduğunu göstermektedir.
Farklı gazların gaz akış hidrodinamiği, farklı 𝑅𝑒 sayılarında argon ile farklı gazların -
hidrojen ve azotun- karışmasını, her bir jeti farklı bir gazla besleyerek araştırılmıştır.
Akışın ilk kritik noktası Ar/H2 ve Ar/N2 akışları için aynı 𝑅𝑒 sayılarında (𝑅𝑒 ≅ 70) 
gözlenirken, ikinci kritik nokta Ar/H2 akışı için 𝑅𝑒 ≅ 120'de, Ar/N2 akışı için 𝑅𝑒 ≅
xxi
190'da bulunmuştur. Artan 𝑅𝑒 sayısı ile akışkan partikülleri arasındaki artan kayma 
gerilimi nedeniyle taşınım mekanizması difüzyon mekanizmasının üstesinden 
gelmeye başlamaktadır. Hidrojen daha yüksek gaz hızına ve dolayısıyla aynı 𝑅𝑒
sayısında azot gazından daha yüksek bir kayma gerilimine sahip olduğundan, Ar/H2
akışının kritik 𝑅𝑒 sayısının Ar/N2 akışından daha düşük olduğu bulunmuştur.
Tezin ikinci ve son bölümünde, daha iyi bir performans elde etmek adına akışkan yatak 
için yeni bir kavramsal yaklaşım tanıtılmış ve gaz-katı akış hidrodinamiği 
incelenmiştir. Geleneksel akışkan yataklarda, katılar sürekli fazda iken gazlar ise 
dağıtılmış fazdır. Bu konseptte gaz fazının sürekli faz ve katıların dağılmış faz olduğu 
homojen katı ve gaz karışımı sağlayan bir akış rejimi elde edilmesi ile akışkan yatak 
performansının iyileştirmesi amaçlanmıştır. Bu nedenle gaz-katı hidrodinamiği,
değişen jet ve çember çapı oranlarına sahip vorteks mikserlerde değişen yoğunluk ve 
boyutlardaki partiküller kullanılarak çalışılmıştır. Çalışma, hızlı kameranın 
kullanıldığı akış görüntüleme ile jetler ve çember boyunca fark basınç sensörleri
kullanılarak kaydedilen anlık basınç değerleri ile gerçekleştirilmiştir. Akış 
görüntüleme deneylerine göre belirlenen minimum akışkanlaşma 𝑅𝑒 sayıları basınç 
düşüşü analizi sonuçları ile aynı bulunmuştur. Katı dağılımının en optimum olduğu 𝑅𝑒
aralıklarının (Remf ve Ret aralığı) fark basınç transdüserleri kullanılarak 
belirlenebileceği gösterilmiştir. Basınç analizi deneylerinin bu reaktörlerde 
uygulanabilir olması ile akışkanlaşmanın görüntülenebilir olmadığı endüstriyel 
sistemlerde basınç değerlerine göre akışkanlaşma rejimlerinin belirlenebileceği 
doğrulanmıştır. Ayrıca boyut, yoğunluk ve porozitenin gaz-katı akış hidrodinamikleri 
üzerinde kompleks etkileri olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Many industrially important chemical reactions involve mixing of gases alone or in 
the presence of solid catalysts. Apart from the catalyst activity, the performance of the 
reactor directly depends on the hydrodynamics of the reactor and efficient mixing is 
crucial for the safety and yield of the operation. While single phase industrial reactors 
suffer from poor mixing where rapid mixing of gases are necassary, fluidized bed 
reactors suffer from non-homogeneous flow regimes such as channelling and slugging 
which results in formation of hot spots and low yield. Vortex mixers, consisting of a 
cylindrical chamber connected by two or more tangentially opposed jets, create 
swirling vortex patterns near the jets, characterized by flow which rotates along an 
axis, like a tornado can deliver rapid and efficient mixing both in single and multiphase 
flows. 
In the scope of this thesis, gas phase flow hydrodynamics, and gas-solid flow 
hydrodynamics in vortex mixers were studied in two parts. In the first part, flow 
hydrodynamics of gases in the proposed vortex mixer was explored by utilizing flow 
visualization and particle image velocimetry (PIV) techniques for 𝑅𝑒 numbers from 
𝑅𝑒 = 20 to 280. The detection of the critical 𝑅𝑒 number of flow where both jets fed 
the same gas, was performed to analyse the flow regime transitions of two gas streams 
coming from two tangential jets. Results demonstrate that methane flow started to 
swirl around 𝑅𝑒 = 70, and the instabilities in the flow started around 𝑅𝑒 = 230, below 
which, gas-flow hydrodynamics was diffusion controlled. Beyond 𝑅𝑒 = 230, 
unsteady engulfment flow regime occurs and convection dominates the diffusion. 
To examine the influence of physical parameters on gas-flow hydrodynamics, three 
gases, namely; hydrogen, nitrogen, and argon were selected due to the viscosity and 
density differences they offer. The initial critical point of flow, where gases rotate 
completely in the chamber, is affected by the inertial force in terms of dynamic 
pressure. While hydrogen had the greatest kinematic viscosity and completed a full 
rotation at 𝑅𝑒 = 40, nitrogen and argon completed a full turn at 𝑅𝑒 = 70. Following 
these, continuous rotating flow was observed due to the equilibrium between 
centrifugal and centripetal forces. Similarly, the formation of engulfment regime was 
detected earlier for hydrogen, at 𝑅𝑒 = 150, than for nitrogen at 𝑅𝑒 = 200 and argon 
at 𝑅𝑒 = 220. Gas properties were found to have an influence not only on critical points 
but also on the shape of the swirling flow pattern.
The gas-flow hydrodynamics of different gases, hydrogen, and nitrogen, with argon at 
various 𝑅𝑒 numbers was also investigated by feeding each jet with a different gas. 
While the first critical point was found to be at the same 𝑅𝑒 number (𝑅𝑒 = 70) for 
both Ar/H2 and Ar/N2, the second critical point was discovered to be at 𝑅𝑒 = 120 for 
Ar/H2 and 𝑅𝑒 = 190 for Ar/N2. Because of the increasing shear stress between fluid 
particles, the convection dominates diffusion as 𝑅𝑒 number increases. Because 
xxiii
hydrogen has a faster gas velocity and consequently a larger shear stress than nitrogen 
at the same 𝑅𝑒 number, the critical 𝑅𝑒 number of the Ar/H2 flow was discovered to be 
lower than the critical 𝑅𝑒 number of the Ar/N2 flow.
In the second and final section of the thesis, for a better performance,a new conceptual 
approach for a fluidized bed were introduced and its hydrodynamics were studied. In 
classical fluidized beds, solids are the continous phase and the gas is the distributed 
phase. In this concept, to improve the performance of the fluidized bed by having a 
flow regime providing homogeneous mixture of solids and gases, where the gas phase 
is the continuous phase and the solids are the distributed phase is aimed. For this 
reason, gas-solid hydrodynamics of particles with varying densities and sizes in vortex 
mixers with varying jet and chamber diameter ratios were examined. The study was 
performed by visual experiments using a fast camera, and by instantenous pressure 
values recorded using differential pressure transducers along the jets and the chamber. 
The minimum fluidization 𝑅𝑒 numbers determined from the flow visulaization study 
were found to be the same with the results obtained from pressure analysis study. The 
optimum operation flow regime where solids are distributed homogeneously (between 
Remf and Ret) can be determined online using the differential pressure transducers for 
the proposed vortex mixer. The implementation of pressure analysis in these rectors 
supported the fact that fluidization regimes and hydrodynamics may be monitored and 
controlled based on pressure signals in industrial systems where fluidization is not 
visible. Furthermore, it was discovered that particle size, density, and porosity all have 
complicated effects on gas-solid hydrodynamics.