Mittausmenetelmien kehittaminen kuplakolonnille

Abstract

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.

CFD modeling of bubble column reactors is currently a fast developing field of research. Reliable modeling and simulation of two-phase flow is challenging due to the complicated phenomena taking place in the bubble column. The factors influencing the behaviour of a reactor, like hydrodynamics and mass transfer, should be well known prior to modeling. In this thesis, the applicability of various measurement techniques for studying the hydrodynamics of the bubble column were tested experimentally. The study concentrated on the local measurement techniques required for generating data for verifying the CFD models. The applicability and reliability of the methods were evaluated. The hydrodynamics of bubble column reactor was the main topic of the literature study. The factors influencing the hydrodynamics were for instance the type of the reactor and gas distributor, flow ranges, gas hold-up, bubble size and bubble rise velocity. Measurements were carried out in two reactors of different sizes, the one having a diameter 0,078 m and the other 0,182 m. The height of both columns were 4,62 m. Measurements were done for tap water and inorganic process solution. Gas hold-ups, bubble sizes and bubble rise velocities were measured. Gas hold-ups were measured mainly with differential pressure gauge and sometimes also by observing the change in liquid level. Measurements for bubble size and bubble rise velocity were carried out by high speed video camera and laser Doppler anemometer. Eight different kind of gas distributors were used. The effect of gas distributor on the hydrodynamics of bubble column was studied. The properties of the liquid phase had a strong effect on the hydrodynamic behaviour of the column. The measured hydrodynamic properties for tap water were round about same for each gas distributor. For process solution differences could clearly be seen. Laser Doppler anemometer equipped with current optics was not suitable for measuring gas bubbles. The bubbles were too big to be observed with this method. Fine results were achieved with high speed video camera and differential pressure gauge.