Bubble column fluid dynamics: experimental and numerical investigations

Gas-liquid bubble columns are widely used multiphase reactors in the chemical, petrochemical and biochemical industries. Despite the simple column arrangement, extremely complex fluid dynamics interactions between the phases exist. In spite of the industrial interest, in the literature there is a lack of studies considering the influence of the counter-current operation mode, the column design (i.e., internals) and the liquid phase properties in large-diameter bubble columns. Indeed, the data, the correlations and the regime transition criteria obtained in small-diameter columns cannot be used to understand the fluid dynamic in large-diameter ones. Therefore, ad-hoc experimental investigations and numerical models should be provided for supporting the reactor design and scale-up. This dissertation contributes to the existing discussion by studying, experimentally and numerically, a large-diameter bubble column. The experimental investigation is conducted on an ad-hoc large-diameter (and large-scale) bubble column. The experimental facility - built in the framework of this research - is tested in the annular gap and in two open tube (pipe sparger and spider sparger) configurations, both in batch and counter-current mode. In addition, various liquids and aqueous solutions of electrolytes are tested to study the effect of the liquid phase properties. We coupled different experimental techniques to provide a comprehensive view of the bubble column fluid dynamics, considering both the bubble and the laboratory-reactor scales. To this end, holdup, gas disengagement, image analysis and optical probe measurements are used to investigate the relations between the global column fluid dynamics, the flow regime transitions, the bubble shapes and size distributions, and local flow properties. The bubble column design, the liquid velocity as well as the liquid phase are found to influence the column fluid dynamics at both the bubble and the reactor scales. We observed a relation between the global fluid dynamics and the bubble scale: small (large) bubbles stabilize (destabilize) the homogenous regime and increase (decrease) the holdup. In addition, a correlation between bubble shape and size is obtained and is implemented in an algorithm for the conversion of bubble chord into diameter distributions. In the numerical part, a Population Balance Model and a Computational Fluid Dynamics (CFD) model are proposed. The Population Balance Model is able to predict the bubble size distributions and the CFD model, based on a bi-dispersed Eulerian approach, provides an insight into the column two-phase flow. The CFD model is validated against the experimental data and is compared with the performance of the state-of-the-art Baseline model developed at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. The proposed approach - performing similar to the Baseline model - is a promising method for the simulation of bubble columns. In conclusion, this research enhances the knowledge of bubble column fluid dynamics, provides a large and comprehensive dataset for model validations and offers modeling approaches for improving the design and scale-up of multiphase reactors.

Le colonne a gorgogliamento gas-liquido sono ampiamente utilizzate come reattori multifase nell’industria chimica, petrolchimica e biochimica. A fronte della semplicità costruttiva le interazioni esistenti tra le fasi sono estremamente complesse. Nonostante l’interesse industriale in letteratura si ha carenza di studi riguardanti l’influenza del funzionamento in contro-corrente, del design della colonna e delle proprietà della fase liquida su colonne di largo diametro. Dati sperimentali e modelli ottenuti su colonne di piccolo diametro non possono essere utilizzati per la comprensione della fluidodinamica in colonne di scala maggiore. Nasce, quindi, l’esigenza di condurre opportune campagne sperimentali e sviluppare modelli numerici per colonne di largo diametro come strumenti per il design e lo scale-up di reattori verso la scala industriale. Questa tesi contribuisce all’attuale discussione proponendo un’analisi sperimentale e numerica di una colonna di largo diametro. Sul fronte sperimentale è stata appositamente costruita una colonna a gorgogliamento di larga scala, su cui è stata testata l’influenza di corpi di riempimento e di diversi distributori, entrambi sia in funzionamento batch che in contro-corrente. È stato, inoltre, saggiato il ruolo della fase liquida (i.e., soluzioni non-coalescenti e viscose). Le campagne sperimentali sono state basate sull’unione di molteplici tecniche (holdup, gas-disengagement, analisi immagini e sonde ottiche) per descrivere la fluidodinamica della colonna partendo dalla scala di bolla fino alla scala di impianto. Tali misure sono state sfruttate per studiare le relazioni tra la fluidodinamica a livello globale, le transizioni di regime, la forma e dimensione delle bolle, e le caratteristiche locali del campo di moto. Il design di colonna, il funzionamento in contro-corrente e le proprietà della fase liquida influenzano la fluidodinamica sia a scala di bolla che a scala di impianto. Le due scale sono, inoltre, interconnesse tra loro: distribuzioni granulometriche spostate verso piccole (grandi) bolle stabilizzano (destabilizzano) il regime omogeneo e aumentano (diminuiscono) l’holdup. Si è proposta, infine, una correlazione tra forma e dimensione di bolla; tale correlazione è fondamentale per la conversione di distribuzioni di corde in distribuzioni granulometriche. Sul fronte numerico sono proposti un modello basato sul bilancio della popolazione e un altro basato sulla fluidodinamica computazionale (CFD). Il primo mira a predire la distribuzione granulometrica, mentre il secondo offre una visione di dettaglio del campo di moto. Il modello CFD – basato su un approccio euleriano bi-disperso – è stato validato con i dati sperimentali e confrontato con le prestazioni del “Baseline model”, sviluppato presso il centro Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Il modello proposto - con prestazioni comparabili con il “Baseline model”- si pone come strumento promettente per la simulazione di colonne a gorgogliamento. Concludendo, tale ricerca amplia la comprensione della fluidodinamica di colonne a gorgogliamento, offre un vasto database per la validazione di modelli numerici e presenta approcci modellistici per il design e lo scale-up di reattori multifase.