Περιοδική τροφοδοσία υγρού σε στήλη διφασικής ομορροής. Χαρακτηριστικά ροής και μεταφοράς μάζας

Abstract

This study is focused on the effect of periodic liquid feeding on trickle bed fluid mechanical and mass transfer characteristics and on the effect of packing particle shape by comparing data obtained with cylindrical extrudates and with spherical particles. Cylindrical-extrudate particles are employed to study air-water downflow (steady trickling flow) in a packed bed of 14 cm i.d. The effect of particle shape, neglected in the literature so far, is shown to be very significant. A packed bed of extrudates displays significantly greater global dynamic liquid holdup hd and pressure drop, as well as a trickling-to-pulsing transition boundary at higher gas flow rates, compared to beds of spheres of comparable size. Moreover, packed extrudates exhibit a significant increase of holdup, hd, in the axial flow direction, a trend reported for the first time as there are no similar data available in the literature; on the contrary beds of spherical particles are characterized by practically constant hd in the axial direction. Although an explanation for this hd axial variation is not obvious, one might attribute it to the anisotropy and non-uniformity of interstitial voids of packed cylindrical particles. Comparisons are reported with literature methods for predicting the measured parameters; discrepancies between data and predictions may be partly due to the inadequacy of a single “equivalent” diameter to represent both shape and size of non-spherical particles; predictive methods performing best are also identified. Periodic liquid feeding is investigated – at sufficiently high frequencies to be classified as “fast” mode of induced pulsing – in the range of mean gas and liquid flow rates corresponding to the steady “trickling flow” regime. Detailed information is obtained, on the axial propagation and attenuation of pulses, from instantaneous, cross-sectionally averaged holdup measurements. Key fluid-mechanical parameters studied include, aside from dynamic holdup and pressure drop, pulse celerity and intensity, as a function of fluid feed rates (G, L) and liquid cyclic frequency. Data from previous work for 6 mm glass spheres and 3 mm spheroid particles, are employed for comparison; it is shown that, for the particles examined, particle-size has a pronounced effect, but not as significant as that of particle shape. For particles of comparable volume, the cylindrical shape is associated with much greater global dynamic holdup and pressure drop, and with increased pulse attenuation. Moreover, packed extrudates exhibit a significant increase of holdup in the axial direction, as in the case of steady trickling flow. For spherical particles, both time-average holdup and pulse celerity are practically constant along the bed for fixed liquid and gas flow rates. Pressure drop, global holdup and pulse celerity are not affected by cyclic liquid feeding frequency, for both spherical and cylindrical extrudate particles. For the mass transfer study, experiments aimed at determining local and global liquid/solid mass transfer rates, mainly for the so-called fast mode of periodic liquid feeding. Uniform 6 mm spheres and cylindrical extrudates, of 1.5 mm diameter and a narrow distribution of lengths, are employed in the tests. For completeness, results are also reported for single-phase (liquid) and trickling flow through the same packed beds. A well-known electrochemical technique is employed to measure instantaneous local mass transfer coefficients by means of quite a few probes distributed throughout the bed. The hydrodynamic characteristics under the above conditions, are helpful in interpreting the new mass transfer data. There is a wide spread of measured local mass transfer rates, in all cases tested, apparently due to packing and flow non-uniformities. This spread is much smaller in the case of packed uniform spheres. In general, the benefits of cyclic liquid feeding are more evident in the packed bed of spheres than in that of cylindrical extrudates; for instance, with increasing mean liquid rate, induced pulsing tends to reduce the spread of local mass transfer coefficients, which suggests that more uniform fluids distribution is promoted. Other trends of local mass transfer rates are identified and discussed in relation to measured variation of liquid holdup, under the same conditions. For packed spheres, the measured global mass transfer rates are in fair agreement with literature correlations obtained for the trickling flow regime, unlike the case of packed extrudates where significant discrepancies are observed. In conclusion, imposed pulsing flow appears to promote a uniform distribution of fluids in the packing characteristics. Moreover, for comparable particle size and mean packing void fraction ε, the uniform spherical shape displays clear advantages over the cylindrical extrudates, both with respect to fluid mechanical parameters and to mass transfer rates.

Μελετάται η περιοδική τροφοδοσία υγρού σε στήλη δι-φασικής ομορροής, αποκαλούμενη επίσης και “επιβαλλόμενη παλμική ροή” υγρού, υπό συνθήκες σχετικά υψηλής συχνότητας (“fast” mode of pulsing). Iδιαίτερη έμφαση δίνεται στην επίδραση που ασκεί το σχήμα συνήθων σωματιδίων πληρωτικού υλικού που χρησιμοποιούνται στην πράξη, δηλαδή κυλινδρικών (extrudates) και σφαιρικών. Για τη μελέτη των ρευστομηχανικών χαρακτηριστικών στην εργασία αυτή χρησιμοποιούνται κυλινδρίσκοι (διαμέτρου 1,5 mm) και οι μετρήσεις συγκρίνονται με πρόσφατα αποτελέσματα από κλίνες σφαιρικών σωματιδίων (6 mm και 3 mm). Η μελέτη τοπικών συντελεστών μεταφοράς μάζας γίνεται σε κλίνες σφαιρικών σωματιδίων 6 mm και κυλινδρικών (alumina extrudates) 1,5 mm. Όλες οι μετρήσεις διεξάγονται σε συνθήκες πίεσης κοντά στην ατμοσφαιρική, ενώ μελετώνται τόσο η ομορροή με περιοδική τροφοδοσία του υγρού (“επιβαλλόμενη παλμική” ροή) όσο και η αντίστοιχη με σταθερή παροχή και των δύο φάσεων (“στάζουσα” ροή). Η μελέτη των ρευστομηχανικών χαρακτηριστικών περιλαμβάνει, εκτός από την οριοθέτηση των περιοχών ροής (στάζουσα – παλμική), τη σχετικά λεπτομερή εξέταση της συγκράτησης του υγρού από μετρήσεις σε διάφορες διατομές της κλίνης. Οι μετρήσεις αυτές επιτρέπουν τον προσδιορισμό των βασικών χαρακτηριστικών της χρονικής και χωρικής εξέλιξης των επιβαλλόμενων παλμών όπως η ταχύτητα, ένταση και απόσβεσή τους κατά μήκος της κλίνης. Προσδιορίζονται επίσης οι μέσες τιμές συγκράτησης και πτώσης πίεσης. Τα αποτελέσματα δείχνουν τη σημαντική επίδραση που ασκεί το σχήμα των σωματιδίων στα ρευστομηχανικά χαρακτηριστικά, η οποία αντιμετωπίζεται ανεπαρκώς στη βιβλιογραφία. Πιο συγκεκριμένα, η μέση συγκράτηση του υγρού και η πτώση πίεσης για τους κυλινδρίσκους, παρουσιάζουν αρκετά αυξημένες τιμές, ενώ το όριο μετάπτωσης από την περιοχή στάζουσας στην περιοχή παλμικής ροής, εμφανίζεται μετατοπισμένο προς υψηλότερες τιμές παροχών σε σύγκριση με σφαίρες παρόμοιου μεγέθους. Επίσης οι επιβαλλόμενοι παλμοί σε κλίνες κυλινδρίσκων αποσβένονται ταχύτερα από ότι σε κλίνες σφαιριδίων. Σημαντική από πρακτική και θεωρητική άποψη είναι η μετρούμενη αύξηση της συγκράτησης κατά μήκος της κλίνης με πληρωτικό κυλινδρίσκους, η οποία για πρώτη φορά αναφέρεται στη βιβλιογραφία. Συγκρίνοντας με τα νέα δεδομένα αρκετούς γνωστούς συσχετισμούς της βιβλιογραφίας, διαπιστώνεται αναφορικά με τη γραμμή viii μετάπτωσης, τη συγκράτηση του υγρού και την πτώση πίεσης, ότι η απόκλιση (υποεκτίμηση) για τα κυλινδρικά σωματίδια είναι σημαντικά μεγαλύτερη από ότι για τα σφαιρίδια, γεγονός που υποδηλώνει την αδυναμία των υπαρχόντων συσχετισμών να λαμβάνουν υπόψη τόσο το μέγεθος όσο και το σχήμα των σωματιδίων με μια μόνο “ισοδύναμη” διάμετρο. Οι μετρήσεις μεταφοράς μάζας, διεξήχθησαν υπό συνθήκες μονοφασικής (πλημμυρισμένη με υγρό κλίνη), στάζουσας και επιβαλλόμενης παλμικής ροής υγρού. Μελετήθηκαν οι τοπικοί και χωρο-χρονικοί μέσοι ρυθμοί μεταφοράς μάζας. Από την εξέταση των πειραματικών δεδομένων, προκύπτει ότι οι τοπικοί συντελεστές φks παρουσιάζουν έντονα στοχαστικό χαρακτήρα, γεγονός που συμφωνεί με ορισμένες πρόσφατες μελέτες. Οι τοπικές τιμές φks παρουσιάζουν μεγαλύτερη διασπορά για τα κυλινδρικά σωματίδια από ότι για τα σφαιρίδια 6 mm, ενδεικτική της μεγαλύτερης ανομοιομορφίας και πιθανής ανισοτροπίας που παρουσιάζουν οι στήλες με πληρωτικο υλικό κυλινδρίσκους. Οι διαφορές μεταξύ κυλινδρίσκων και σφαιριδίων είναι σε γενική συμφωνία και εν μέρει δικαιολογούνται από τα προαναφερόμενα ρευστομηχανικά χαρακτηριστικά. Έτσι, εκτός των άλλων, η απόσβεση των διακυμάνσεων του τοπικού συντελεστή φks είναι σε πλήρη συσχέτιση με την απόσβεση των επιβαλλόμενων παλμών. Επίσης η παρατηρούμενη τάση, σε κλίνες κυλινδρίσκων, για μείωση των τοπικών συντελεστών φks κατά μήκος της κλίνης μάλλον δικαιολογείται από τη μετρούμενη αύξηση της συγκράτησης υγρού κατά μήκος της κλίνης. Συγκρίσεις των χωρο-χρονικών μέσων τιμών με γνωστούς συσχετισμούς της βιβλιογραφίας δείχνουν ότι οι προβλέψεις είναι σε σχετικά καλή συμφωνία για την κλίνη με σφαιρίδια, αλλά αποκλίνουν σημαντικά από τα δεδομένα για κλίνη κυλινδρίσκων. Συμπερασματικά η επιβαλλόμενη παλμική ροή υγρού φαίνεται να ευνοεί την ομοιόμορφη διασπορά ρευστών στην κλίνη. Επιπλέον, για συγκρίσιμο μέγεθος σωματιδίων καθώς και μέσο κλάσμα κενού χώρου ε, το ομοιόμορφο σφαιρικό σχήμα του πληρωτικού υλικού φαίνεται ότι πλεονεκτεί σαφώς έναντι του κυλινδρικού (extrudates), τόσο ως προς τα ρευστομηχανικά χαρακτηριστικά όσο και ως προς τους ρυθμούς μεταφοράς μάζας.