Μελέτη των καταστάσεων πλημμύρισης σε αναδευόμενα συστήματα αερίου-υγρού

Abstract

Mechanically agitated gas-liquid contactors are widely used in industry, offering optimal dispersion conditions and great efficiency of gas utilization in the reactor. Different definitions of flooding have been proposed by several investigators. The definition that has been used extensively by most investigators was the one that defined flooding as the ceasing of the radial motion of the bubbles in the impeller stream. This definition seems to be the most popular one because of the fact, that the situation described above is easy to be observed and realized experimentally. Therefore, the flooding-loading transition is widely used, for the estimation of the working conditions, due mainly to its experimental convenience and accuracy. However, the dispersion is ineffective at this stage, since the gas bubbles are sufficiently dispersed only in the zone above the impeller. On the contrary, the complete dispersion conditions give efficient dispersion characteristics, as the whole of the tank is efficiently used. Consequently, the complete dispersion condition is the one that determines the optimal working conditions. Although, several investigators have worked on flooding-loading transition and loading-complete dispersion transition stages, limited data are available in the literature on the interrelation of these two transitions. Therefore, in this Ph.D. Thesis, the flooding-loading and the loading-complete dispersion transitions are both extensively studied, using different measuring techniques. In the literature, visual observation is very often used for the determination of these two transitions. However, this technique needs both the agitated vessel and the liquid to be transparent, and therefore cannot be used if they are not. In this study, a new method for the determination of the flooding-loading transition is proposed, using light transmission technique. In addition, experimental results concerning both flooding-loading and loading-complete dispersion transitions are compared for gas-liquid contactors agitated by one or two Rushton turbines of different diameters, for coalescing and non-coalescing systems. Furthermore, an interrelation between these two transition stages is proposed, in the form of a correlation between FrF and FrCD (i.e. the Froude number at the flooding-loading transition and the loading-complete dispersion transition, respectively). The resulting correlation is of theoretical and practical importance, since no data are available on the literature on this subject matter.

Τα μηχανικώς αναδευόμενα συστήματα αερίου-υγρού χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη βιομηχανία εξασφαλίζοντας ικανοποιητικές συνθήκες διασποράς και μεγάλη απόδοση στην μεταφορά μάζας μεταξύ αερίου-υγρού. Στη βιβλιογραφία, έχουν προταθεί διαφορετικοί ορισμοί για την μετάβαση στην πλημμύριση. Εξ αυτών, ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος είναι εκείνος που ορίζει την εν λόγω μετάβαση ως την κατάσταση κατά την οποία παύει να υπάρχει ακτινική ροή των φυσαλίδων στο επίπεδο του προωθητήρα. Ο ορισμός αυτός είναι ο πιο δημοφιλής, πιθανότερα διότι η εν λόγω μετάβαση, όπως περιγράφεται παραπάνω, είναι πολύ εύκολα πειραματικά προσδιορίσιμη. Ως εκ τούτου, η μετάβαση στην πλημμύριση χρησιμοποιείται ως το βασικότερο σχεδιαστικό και λειτουργικό κριτήριο για την αποδοτική λειτουργία των συσκευών ανάμειξης. Παρόλα αυτά, σε αυτήν την κατάσταση, η ποιότητα της διασποράς δεν είναι η βέλτιστη, μια που το αέριο κατανέμεται μόνο πάνω από το επίπεδο του προωθητήρα, ενώ ο όγκος κάτω από αυτόν παραμένει ανεκμετάλλευτος. Αντίθετα, στην κατάσταση πλήρους διασποράς η ποιότητα της διασποράς είναι σαφέστατα καλύτερη, μια που το αέριο διασπείρεται σε ολόκληρο τον όγκο του δοχείου ανάδευσης-ανάμειξης. Κατά συνέπεια, η μετάβαση στην πλήρη διασπορά πρέπει να αποτελεί το βασικότερο σχεδιαστικό και λειτουργικό κριτήριο για την αποδοτική λειτουργία των συσκευών ανάμειξης. Επίσης, παρά το γεγονός ότι πληθώρα ερευνητών έχει εργαστεί πάνω στον προσδιορισμό της μετάβασης στην πλημμύριση και της μετάβασης στην πλήρη διασπορά, ελάχιστα είναι τα βιβλιογραφικά δεδομένα που υπάρχουν για την συσχέτιση μεταξύ των δύο αυτών μεταβάσεων. Στην παρούσα διατριβή προσδιορίστηκαν η μετάβαση από την πλημμύριση στη διασπορά και η μετάβαση από την διασπορά στην πλήρη διασπορά, με τη χρήση διαφόρων μεθόδων. Στη βιβλιογραφία, η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τον προσδιορισμό των εν λόγω μεταβάσεων είναι ο οπτική παρατήρηση των μακροσκοπικών ροών στο όγκο ανάμειξης. Παρόλα αυτά, η συγκεκριμένη μέθοδος έχει περιορισμούς στην εφαρμογή της, αφού απαιτεί τόσο το δοχείο-αντιδραστήρας όσο και το προς ανάδευση υγρό να είναι διαφανή, ενώ δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αδιαφανή συστήματα. Έτσι, στη παρούσα εργασία παρουσιάζεται ένας νέος τρόπος προσδιορισμού της μετάβασης στην πλημμύριση με τη χρήση της μεθόδου διερχομένου φωτός. Επίσης, παρουσιάζονται συγκριτικά αποτελέσματα σχετικά με τον προσδιορισμό της μετάβασης στην πλημμύριση και στην πλήρη διασπορά για συστήματα ανάδευσης με έναν ή με δύο προωθητήρες Rushton, διαφορετικών διαμέτρων, για συστήματα με ή χωρίς συνένωση φυσαλίδων. Επίσης, παρουσιάζεται για πρώτη φορά η συσχέτιση μεταξύ των δύο χαρακτηριστικών αυτών μεταβάσεων, στη βάση μιας εξίσωσης μεταξύ των αριθμών FrF και FrCD (δηλ. τους αντίστοιχους αριθμούς Froude στην μετάβαση στην πλημμύριση και στη μετάβαση στη πλήρη διασπορά). Η εν λόγω συσχέτιση είναι μεγάλης θεωρητικής και πρακτικής σημασίας, αφού στη βιβλιογραφία δεν παρουσιάζονται δεδομένα αναφορικά με τη σχέση μεταξύ των δύο χαρακτηριστικότερων μεταβάσεων στα αναδευόμενα συστήματα αερίου-υγρού.