Experimental and numerical study of large scale bubble column reactor with air and carbon dioxide as blown gases

In this work, an experimental and numerical study was conducted with a bubble column. It is a reactor widely used in several chemical processes and consists in a vertical pipe where a twophase dispersed mixture flows. This facility is interesting under an industrial and economical point of view, because of the large contact area between the liquid continuous medium and the discrete phase, namely the bubbles, the simple arrangement due to the lack of moving parts and the low price-performance ratio. Usually, geometry, column size and flow direction of the phases classify this kind of reactor. In that study, a large diameter bubble column (diameter=0.24m) was studied operating at atmospheric pressure with CO2 and Air as sparged gas in the water. At the macro-scale, the global holdup was measured and then plotted against the superficial velocity. This allows the transition point detection between the homogeneous and the heterogeneous regime, where the coalescence and breakup phenomena are relevant. The holdup gives also information about the gas velocity and the bubble size distribution (BSD), indeed big bubbles move faster and lead to lower global holdup. At the bubble-scale, pictures were taken in backlight, at different height (sparger and developed region), radial position and flow rates (superficial velocity range 0.0038-0.0224 m/s). Therefore, a MATLAB algorithm is used to detect bubble boundaries, approximate them to ellipses and measure size, shape and position. The difference between BSDs at different heights provides information about the induced coalescence and breakup region, BSD development and the beginning of the fully developed region. The experimental data were further processed to obtain input data for numerical simulations. Moreover, they represent a new database to describe the CO2/water behavior in a large diameter bubble column. A CFD Eulerian two-fluid modelling using ANSYS CFX release 18.2. The geometry is fully 3D and simulations are performed in transient mode. To properly model the system a set of non-drag forces according to Baseline formulation proposed by CFD department of HZDR research centre are considered. Fixed-dispersed approach without considering breakup and coalescence and polydispersed approach considering population balance model for bubble coalescence and breakup are separately studied and compared. Ultimately, the model is validated by experimental data mainly global gas holdup.

In questo lavoro, è stata svolta un’analisi sperimentale su una colonna di gorgogliamento, una facility largamente utilizzata in diversi processi chimici, che consiste in una condotta verticale dove un fluido bifase scorre. Le colonne di gorgogliamento hanno diversi aspetti positivi sia da un punto di vista economico che industriale, per via della grande superficie di contatto tra la fase continua liquida e quella dispersa gassosa, per la mancanza di parti mobili e per l’ottimo rapporto costo-performance. Solitamente, la geometria, la taglia e la direzione del moto delle due fasi sono gli aspetti considerati per classificare questo tipo di reattori. In questo caso, la colonna è di taglia industriale, a sezione circolare (diametro=24cm) e opera a pressione atmosferica con anidride carbonica o aria, come fase dispersa, nell’acqua in condizioni di batch. A livello macroscopico è stata misurata la frazione globale di gas, la quale è stata successivamente descritta in funzione della velocità superficiale. Questo ha permesso di individuare il punto di transizione tra regime omogeneo e quello eterogeneo, dove i fenomeni di coalescenza e rottura delle bolle sono rilevanti. Inoltre, la misura della frazione di gas fornisce informazioni relative alla velocita della fase gassosa e alla distribuzione della dimensione delle bolle (BSD). Nella scala delle bolle, sono state scattate foto in controluce a diverse altezze (zona del distributore e zona del flusso pienamente sviluppato), lungo la coordinata radiale e con velocità superficiali della fase gassosa tra 0.0038 m/s e 0.0224 m/s. Attraverso un codice MATLAB che permette, partendo dai bordi, di approssimare le bolle a delle ellissi, sono state successivamente misurate la grandezza, la forma e la posizione. La differenza tra le BSD a diverse altezze fornisce informazioni sui fenomeni di coalescenza e rottura indotti dal distributore e l’inizio della zona dove flusso è pienamente sviluppato. I dati sperimentali sono stati successivamente elaborati al fine di ottenere i giusti input per l’analisi numerica. Inoltre, questi rappresentano un nuovo database per descrivere il comportamento della miscela CO2/water in una colonna di gorgogliamento industriale. Da un punto di vista numerico il fluido bifase è stato studiato con la fluidodinamica computazionale (CFD), in particolare con il software ANSYS CFX 18.2. La colonna è stata rappresentata con una geometria 3D e le simulazioni sono state fatte in transitorio. Per simulare in modo adeguato il sistema, sono state utilizzate le equazioni del modello Baseline sviluppate dal dipartimento di fluidodinamica del centro di ricerca HZDR. Due diversi modelli numerici sono stati utilizzati e confrontati, nel primo i fenomeni di coalescenza e rottura delle bolle sono stati trascurati (fixed-dispersed), nel secondo invece sono considerati e descritti con il population balance model (polydispersed). In fine i modelli sono stati validati con i dati sperimentali, in particolare con i dati raccolti sulla frazione di gas globale.