Experimental and numerical investigation of a large-scale bubble column : scale-up criteria and influence of liquid properties

In modern industry, multi-phase reactors in which mass transfer is the main objective, are of fundamental importance. Such reactors, which are in most cases bubble columns, provide several advantages such as large contact surface area among the phases, simplicity in construction and maintenance. On the other hand, the occurring physical phenomena are extremely complex and a careful evaluation of all the parameters involved is essential to achieve a correct and successful design. A number of studies are available in literature supplying information concerning these reactors. Yet, a comprehensive knowledge on the topic is still missing and therefore further experimental studies, which are aiming at deriving suitable models, are indeed necessary. In this work, experiments have been conducted on a large-scale bubble column and data were collected to investigate the fluid dynamics both on a global and on a local scale; further, the influence of liquid phase properties on the whole system behavior has been studied. Subsequently, some correlations linking the total gas holdup to different operating parameters such as phases superficial velocity, liquid properties and column aspect ratio have been proposed. Afterwards, their performances have been tested also on experimental data from literature, yielding satisfactory results. Although the knowledge of most of the system variables is crucial to support the design process of bubble column reactors, the scale up of results obtained from experimental facilities is not always allowed. However, the growth of electronic computing capacity in the last decades has made CFD approaches feasible. Consequently, another goal of this study has been the validation of a numerical model for bubble columns performance prediction, representing the state of the art of the current development for the Euler-Euler modelling framework. Adding to this, the influence of lift force, coalescence and breakup models has been surveyed in details, assessing their contribution to the global code performances. Despite the numerical approach cannot yet substitute the experimental one, it has shown to be a valuable tool to integrate with the analysis and a promising path for the future. In conclusion, the experimental part of this work was able to provide a detailed overview of the influence of both column aspect ratio and liquid properties on the system behavior while the numerical part confirmed the possibility to obtain reliable results for large scale bubble columns by means of a Euler-Euler approach coupled with suitable closure models.

Nell'industria moderna, i reattori multifase in cui lo scambio di massa tra le fasi è l'obiettivo primario, sono di fondamentale importanza. Tali reattori, che solitamente prendono la forma di colonne a gorgogliamento, sono in grado di fornire diversi vantaggi, tra i quali un'ampia superficie di contatto tra le fasi coinvolte, semplicità nella costruzione e di gestione. D'altra parte, i fenomeni fisici coinvolti sono estremamente complessi e perciò un'attenta valutazione di tutti fattori che contribuiscono al loro regolare funzionamento è di fondamentale importanza per una corretta progettazione. Numerosi studi sono disponibili in letteratura atti a fornire informazioni su questo tipo di reattori. Tuttavia, un'esaustiva comprensione dell'argomento è ancora lontana e perciò nuovi studi sperimentali mirati alla determinazione di adeguati modelli predittivi sono attualmente necessari. In questo lavoro sono stati condotti esperimenti su una colonna a gorgogliamento di larga scala e sono stati raccolti dati al fine di analizzare sia la fluidodinamica globale, tramite misure di holdup, che quella locale, sfruttando la tecnica dell'analisi immagine; inoltre, è stata approfondita anche l'influenza delle proprietà fisiche della fase liquida sul comportamento dell'intero sistema. Una volta fatto ciò, sono state derivate alcune correlazioni che legano holdup e i diversi parametri operativi coinvolti, quali velocità superficiali delle fasi, proprietà della fase liquida e aspect ratio. La loro capacità predittiva è stata successivamente testata con buoni risultati anche su dati da letteratura. Nonostante la conoscenza della maggior parte dei parametri operativi coinvolti sia indispensabile al fine di supportare una corretta fase di progettazione di questo tipo di reattori, il processo di scale-up dei risultati sperimentali ottenuti in impianti di laboratorio non è sempre possibile ed immediato. D'altro canto, la forte crescita nella capacità di calcolo dei computer osservata negli ultimi decenni ha aperto la strada all'approccio numerico (CFD). Di conseguenza, un altro obiettivo di questo lavoro è stato la validazione di un modello numerico, che ad oggi rappresenta lo stato dell'arte dell'approccio Euleriano-Euleriano, per poter predire le performance di una colonna a gorgogliamento di larga scala. Inoltre, è stato analizzato nel dettaglio l'effetto della forza di lift e dei modelli di coalescenza e rottura delle bolle, osservandone l'impatto sul comportamento globale del modello. Nonostante l'approccio sperimentale non possa ancora essere completamente sostituito da quello numerico, quest'ultimo si è dimostrato essere un valido strumento da affiancare al primo, nonché una possibile via da percorre in futuro. In conclusione, la parte sperimentale di questo lavoro è stata in grado di fornire una analisi dettagliata dell'influenza sia dell'aspect ratio che delle proprietà della fase liquida sul comportamento del sistema, mentre quella numerica ha confermato la possibilità di ottenere risultati e previsioni affidabili per una colonna di larga scala attraverso un approccio Euleriano-Euleriano affiancato da corrette chiusure semi-empiriche.