Validation of data analysis methods and design of a high pressure bubble column

Bubble columns are multiphase reactors in which the gas phase is sparged in the form of bubbles into the liquid phase. Even though bubble columns are widely employed in industrial applications, the experimental activities conducted under industrially-relevant conditions do not allow yet to develop a sound knowledge of the complex fluid dynamics that establishes inside. In this work the existing literature on high pressure bubble column has been considered, restraining the field to air-water large diameter bubble columns to simplify the analysis: three models to predict the gas holdup (void fraction) have been described, and three methods to detect the flow regime transition from holdup data are studied, since the definition of holdup correlations often requires the knowledge of the transition point. The holdup correlations have been tested on literature data, but none manages to predict reliably the gas holdup for all the datasets. The transition investigation methods have been analysed: an improvement has been proposed for each one, and in order to test their robustness, two sensitivity analysis have been performed: the first evaluates the influence of the resolution of the dataset on the result, the second takes into consideration the effect of the perturbation of experimental points. This has allowed to lay out a guide line for the choice of the data analysis method, and for the resolution of future experimental datasets. In order to validate the improvements implemented, the methods have been tested on experimental data. In order to expand the existing literature, in the light of the results obtained with the previous analysis, the preliminary design of a new experimental facility has been laid out: the new bubble column has been designed to reach a maximum holdup of 50% and a maximum gas superficial velocity of 0.25 m/s at the maximum operating pressure of 40 bar.

Le colonne a gorgogliamento sono reattori multifase in cui la fase gassosa viene dispersa in quella liquida sotto forma di bolle. Nonostante le colonne a gorgogliamento siano largamente impiegate in applicazioni industriali, le attività sperimentali condotte in condizioni rilevanti dal punto di vista industriale non permettono ancora di sviluppare una conoscenza approfondita dei complessi fenomeni fluidodinamici che si instaurano all’interno. In questo lavoro è stata presa in considerazione la letteratura esistente sulle colonne a gorgogliamento ad alta pressione, restringendo il campo a colonne aria-acqua a largo diametro per semplificare l’analisi: sono stati descritti tre modelli di previsione del gas holdup (frazione di vuoto) e tre metodi di ricerca della transizione di regime di moto, poiché la definizione delle correlazioni per il gas holdup spesso richiede la conoscenza del punto di transizione. Le correlazioni per il gas holdup sono state testate su dati di letteratura, ma nessuna riesce a predire in modo affidabile il gas holdup per tutti i casi. I metodi di ricerca del punto di transizione sono stati approfonditi: per ogni metodo è stato proposto un miglioramento, e per testare la loro robustezza, sono state svolte due analisi di sensibilità: la prima valuta l’influenza della risoluzione dei dati sul risultato, la seconda studia l’effetto della perturbazione dei dati. Questo ha permesso di delineare una linea guida per la scelta di quale metodo usare nell’analisi dei dati, e per la scelta della risoluzione dei futuri dati sperimentali. Per validare i miglioramenti applicati, i metodi di ricerca della transizione di regime sono stati testati sui dati di letteratura sperimentale. Alla luce dei risultati ottenuti con la precedente analisi è stata svolta la progettazione preliminare di un nuovo apparato sperimentale per ampliare l’attuale letteratura: la nuova colonna a gorgogliamento è concepita per raggiungere il massimo gas holdup di 50%, la massima velocità superficiale di gas di 0.25 m/s e la pressione massima di 40 bar.