Bubble columns : digital image analysis and population balance modelling

In this thesis is provided a review of large diameter bubble columns and the main factors influencing their operations. Particular attention is payed to the study of the homogeneous regime with both stagnant liquid phase and counter-current flow, describing the entire homogeneous operating range until the triggering of the transition towards the heterogeneous regime. Thanks to the facility within the Politecnico di Milano laboratories it has been possible to study a large diameter cylindrical bubble column using the digital image analysis technique in two diverse axial positions. At first is investigated the air-water system, consecutively is considered the addition of NaCl to attain an electrolytic solution. The experimental investigation has permitted to develop a solid dataset useful to provide a starting point for the numerical model and to validate the obtained results. Within the experimental results are presented the influences that the flow configuration and the addition of electrolyte have on the bubble size distribution, aspect ratio and on the void fraction. The lumped parameters developed model is based on the concept of population balance modelling and particular attention has been given to the choice of the proper equations that describe the coalescence and breakup phenomena which govern the evolution of the multiphase flow.

n questa tesi è riportata una revisione delle colonne a bolle di grosso diametro e dei principali fattori che influenzano il loro funzionamento. Si presta particolare attenzione al regime di flusso omogeneo, sia con fase liquida stagnante che con flussi in controcorrente, descrivendone l’intero campo di funzionamento omogeneo fino all’innesco della transizione verso il regime eterogeneo. Grazie all’impianto presente nel laboratorio del Politecnico di Milano è stato possibile studiare una colonna a bolle cilindrica di largo diametro tramite la tecnica di analisi ad immagini in due diverse posizioni assiali e con due fluidi di lavoro differenti. Dapprima viene analizzato il sistema aria-acqua, in seguito viene considerata l’aggiunta di NaCl al fine di studiare una soluzione elettrolitica. La ricerca sperimentale ha permesso di sviluppare un solido dataset utile sia come punto di partenza per l’esecuzione di un modello numerico, sia per validare i risultati del modello numerico stesso. Assieme ai risultati sperimentali viene dettagliatamente presentata l’influenze che la configurazione dei flussi e la presenza di elettroliti hanno sulla distribuzione della dimensione delle bolle, sull’aspect ratio e sulla frazione di vuoto. Il modello a parametri concentrati sviluppato è basato sul concetto di bilancio di popolazione e particolare attenzione è stata data alla scelta delle equazioni che descrivono i fenomeni di coalescenza e di rottura che governano l’evoluzione del flusso multifase.