Mittausmenetelmien kehittaminen kuplakolonnille
Ilmola, Pekka (2002)
Tiivistelmä
Kuplakolonnireaktoreiden CFD-mallinnus on talla hetkella voimakkaasti kehittyva
tutkimusalue. Kaksifaasivirtauksen luotettava simulointi ja mallintaminen on
haastavaa kuplakolonnireaktorissa tapahtuvien ilmioiden monimutkaisuuden vuoksi.
Reaktorin kayttaytymiseen vaikuttavat tekijat, kuten kolonnin hydrodynamiikka ja
aineensiirto, tulee tuntea hyvin ennen mallien tekoa.
Tassa tyossa on kokeellisesti tutkittu erilaisten mittausmenetelmien soveltuvuutta
kuplakolonnin hydrodynamiikan tutkimiseen. Mittausmenetelmissa on keskitytty
erityisesti CFD-mallien vaatimiin paikallisiin mittauksiin. Lisaksi tyossa on arvioitu
mittausmenetelmien soveltuvuutta j a luotettavuutta CFD-mallien validointiin.
Tyon kirjallisuusosassa on perehdytty kuplakolonnireaktorin hydrodynaamiseen
kayttaytymiseen ja siihen vaikuttaviin tekijoihin. Naita ovat mm. reaktorityypit,
kaasun dispergointi, virtaustyypit ja -alueet, kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko
ja kuplan nousunopeus.
Mittauksia tehtiin kahdessa erikokoisessa kuplakolonnissa, joista pienemman
halkaisija oli 0,078 m ja suuremman 0,182 m. Molempien kolonnien nestepinnan
korkeus oli 4,62 m. Mittaukset tehtiin vesijohtovedella ja epaorgaanisella
prosessiliuoksella. Hydrodynaamisista ominaisuuksista mitattiin kaasun tilavuusosuus,
kaasukuplan koko seka kaasukuplan nousunopeus. Kaasun tilavuusosuusmittaukset
tehtiin paaasiassa paine-eromittauksella ja joissakin tapauksissa pinnanmittausmenetelmalla. Kuplakoko- ja kuplan nousunopeusmittaukset tehtiin suumopeusvideokameralla ja laser Doppler-anemometrilla. Mittauksissa kaytettiin kahdeksaa erilaista
kaasunjakolaitetta, joilla selvitettiin kaasunjakolaitteen ominaisuuksien vaikutusta
kolonnin hydrodynamiikkaan.
Tuloksista havaittiin, etta nestefaasin ominaisuuksilla oli suuri vaikutus kolonnin
hydrodynaamiseen kayttaytymiseen. En kaasunjakolaitteilla vesijohtovedella mitatut
hydrodynaamiset ominaisuudet eivat poikenneet paljoa toisistaan, kun taas
prosessiliuoksella kaasunjakolaitteiden valille saatiin huomattavat erot.
Mittausmenetelmista laser Doppler-anemometri ei kaytettavissa olleella optiikalla
soveltunut kaasukuplien mittaamiseen. Kuplat olivat menetelmalle liian suuria.
Suumopeusvideokamerallaja paine-eromittauksella paastiin hyviin tuloksiin.
tutkimusalue. Kaksifaasivirtauksen luotettava simulointi ja mallintaminen on
haastavaa kuplakolonnireaktorissa tapahtuvien ilmioiden monimutkaisuuden vuoksi.
Reaktorin kayttaytymiseen vaikuttavat tekijat, kuten kolonnin hydrodynamiikka ja
aineensiirto, tulee tuntea hyvin ennen mallien tekoa.
Tassa tyossa on kokeellisesti tutkittu erilaisten mittausmenetelmien soveltuvuutta
kuplakolonnin hydrodynamiikan tutkimiseen. Mittausmenetelmissa on keskitytty
erityisesti CFD-mallien vaatimiin paikallisiin mittauksiin. Lisaksi tyossa on arvioitu
mittausmenetelmien soveltuvuutta j a luotettavuutta CFD-mallien validointiin.
Tyon kirjallisuusosassa on perehdytty kuplakolonnireaktorin hydrodynaamiseen
kayttaytymiseen ja siihen vaikuttaviin tekijoihin. Naita ovat mm. reaktorityypit,
kaasun dispergointi, virtaustyypit ja -alueet, kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko
ja kuplan nousunopeus.
Mittauksia tehtiin kahdessa erikokoisessa kuplakolonnissa, joista pienemman
halkaisija oli 0,078 m ja suuremman 0,182 m. Molempien kolonnien nestepinnan
korkeus oli 4,62 m. Mittaukset tehtiin vesijohtovedella ja epaorgaanisella
prosessiliuoksella. Hydrodynaamisista ominaisuuksista mitattiin kaasun tilavuusosuus,
kaasukuplan koko seka kaasukuplan nousunopeus. Kaasun tilavuusosuusmittaukset
tehtiin paaasiassa paine-eromittauksella ja joissakin tapauksissa pinnanmittausmenetelmalla. Kuplakoko- ja kuplan nousunopeusmittaukset tehtiin suumopeusvideokameralla ja laser Doppler-anemometrilla. Mittauksissa kaytettiin kahdeksaa erilaista
kaasunjakolaitetta, joilla selvitettiin kaasunjakolaitteen ominaisuuksien vaikutusta
kolonnin hydrodynamiikkaan.
Tuloksista havaittiin, etta nestefaasin ominaisuuksilla oli suuri vaikutus kolonnin
hydrodynaamiseen kayttaytymiseen. En kaasunjakolaitteilla vesijohtovedella mitatut
hydrodynaamiset ominaisuudet eivat poikenneet paljoa toisistaan, kun taas
prosessiliuoksella kaasunjakolaitteiden valille saatiin huomattavat erot.
Mittausmenetelmista laser Doppler-anemometri ei kaytettavissa olleella optiikalla
soveltunut kaasukuplien mittaamiseen. Kuplat olivat menetelmalle liian suuria.
Suumopeusvideokamerallaja paine-eromittauksella paastiin hyviin tuloksiin.