Hydrodynamics and Heat Transfer in an Airlift Reactor

Abstract

Työn teoriaosassa esitetään kirjallisuudessa esiintyviä teoreettisia ja kokeellisia yhtälöitä nesteen nopeuden, kaasun tilavuusosuuden, painehäviön ja lämmönsiirron laskemiseksi. Lisäksi käsitellään airlift-reaktoreiden toimintaa, rakennetta ja teollisia sovelluksia, sekä sekoitusta ja geometrian vaikutusta airlift-reaktoreiden hydrodynaamisiin ominaisuuksiin. Kokeellisessa osassa kuvataan käytetty koelaitteisto ja mittausmenetelmät sekä esitetään saadut koetulokset. Koelaitteisto on viidellä nousuputkella varustettu ulkoisen kierron airlift-reaktori. Kokeellisessa osassa pyritään ratkaisemaan tällaisessa reaktorissa mahdollisesti esiintyviä ongelmia, kuten "slug flown" muodostuminen nousuputkissa sekä fluidien epätasainen jakautuminen nousuputkiin. Lisäksi tutkitaan erilaisten muuttujien, kuten kaasun tilavuusvirran, nesteen viskositeetin, suutinkoon ja nesteen jakoputken rakenteen, vaikutusta kaasun tilavuusosuuteen ja nesteen nopeuteen nousuputkissa. Nesteen nopeudet mitataan merkkiainemenetelmällä ja kaasun tilavuusosuudet manometrimenetelmällä. Lämmönsiirtoa tutkitaan mittaamalla lämpötilaeroja nousuputkissa NiCr-Ni –termoelementeillä. Mittaustulosten perusteella muokataan korrelaatiot kaasun tilavuusosuudelle ja nesteen tyhjäputkinopeudelle. Korrelaatioista lasketut tulokset sopivat kohtuullisen hyvin yhteen mitattujen tulosten kanssa. "Slug flown" ei todettu muodostuvan ongelmaksi 2.5 mPa s pienemmillä viskositeetin arvoilla 2 metriä pitkissä ja 19 mm halkaisijaltaan olevissa putkissa. Lisäksi todettiin, että kaasu- ja nestefaasien jakautumisongelmat voidaan ratkaista rakenteellisesti.

In the theoretical part, theoretical and experimental equations are presented to calculate liquid velocity, gas hold-up, pressure drop, and heat transfer in an airlift reactor. The operation, construction, and applications of airlift reactors are discussed. Also, mixing and the effect of geometry on hydrodynamics of airlift devices are considered. In the experimental part, the apparatus and methods of measurement are described, and the experimental results are given. The apparatus is a multitubular, external-loop airlift reactor that has five riser tubes. The problems associated with this kind of a reactor, such as the formation of slug flow and uneven distribution of fluids into the riser tubes, are investigated and solved. In addition, the effect of different variables on gas hold-up and liquid velocity are studied. These variables are gas flow rate, liquid-phase viscosity, sparger size, and construction of liquid distribution tube. Gas hold-ups are measured manometrically and liquid velocities with a tracer method. Heat transfer is investigated by measuring the temperature differences between the ends of the riser tubes with NiCr-Ni -thermocouples. Based on the results, correlations are constructed for gas hold-up and superficial liquid velocity. The results calculated from the correlations fit the experimental results quite well. It was discovered that slug flow did not become a problem with viscosities lower than 2.5 mPa s in tubes of 19 mm in diameter and 2 m in length. It was also found out that the phase distribution problems could be solved with structural solutions.