Bubble column reactors : the determinants of the flow regime transitions and computational fluid dynamics modelling approaches

Bubble columns are widely used in the chemical, biochemical and petrochemical industries, but the characterization of their fluid dynamics has always been very complex. Several experimental studies have been made to identify global and local flow properties, but a unique definition of the flow regimes is often not provided. To overcome the lack of knowledge regarding bubble columns phenomenology, Besagni (2021) outlined a novel theory for a precise definition of the flow regimes and a methodology to identify the regime transitions. The proposed theory was applied to determine the flow regime transitions of different bubble columns operating in batch and counter-current modes and with different liquid phases. Subsequently, a statistical study was performed to determine the variables influencing the flow transitions. The analysis was carried out by coupling the Ordinary Least Square method (OLS) to identify the relationship between variables, the Variance Inflation Factor (VIF) to check for multicollinearity issues and the Least Absolute Shrinkage and Selection Operator (LASSO) to select the suitable variables. As a result, a segmentation of bubble columns has been proposed using a segmentation tree approach (CART). The outcomes of the statistical study confirm the trends provided by the analysis of the experimental data and supply a graphical tool to identify the boundaries between the flow regimes for a given bubble column. In the numerical part, an extensive literature review regarding CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations of bubble columns was conducted providing all the details regarding model settings and performances. Subsequently, CFD simulations of the homogeneous flow regime were carried out considering a proper set of interfacial forces. Available experimental results were used for the model validation.

Le colonne a gorgogliamento sono largamente utilizzate nell'industria chimica, biomedica e petrolchimica ma la loro caratterizzazione fluidodinamica risulta essere molto complessa. Sono stati condotti numerosi studi sperimentali, con l'obiettivo di identificare le caratteristiche globali e locali del flusso, ma una chiara e unica definizione dei regimi di flusso non è stata fornita. Per superare la mancanza di conoscenza sulla fenomenologia delle colonne a gorgogliamento, Besagni (2021) ha proposto una nuova teoria per definire i regimi di flusso e identificare le transizioni di regime. La teoria proposta è stata applicata per determinare le transizioni di diverse colonne a gorgogliamento operanti in modalità batch e contro-corrente e con differenti fasi liquide. Successivamente è stato condotto uno studio statistico col fine di determinare le variabili che maggiormente influenzano le transizioni di regime. L'analisi è stata eseguita accoppiando il metodo dei minimi quadrati (OLS) per identificare le relazioni tra le variabili, il fattore di inflazione della varianza (VIF) per verificare la presenza di problemi di multicollinearità e il metodo di contrazione dei coefficienti (LASSO) per selezionare le variabili di interesse. Successivamente, viene proposta una segmentazione delle colonne a bolle usando l'approccio segmentazione ad albero (CART). I risultati dell'analisi statistica confermano i trend osservati dall'analisi dei dati sperimentali e fornisce uno strumento grafico per identificare i confini tra i regimi di flusso. Nella seconda parte viene presentata un'estesa revisione della letteratura, riguardante la modellazione CFD di colonne a gorgogliamento, fornendo tutti i dettagli dei modelli implementati e rispettivi risultati. Successivamente, sono state condotte simulazioni CFD riguardanti il regime di flusso omogeneo, considerando un insieme appropriato di forze interfacciali.