Numerical investigation of mass transfer phenomena in bubble column with ionic liquid for CO2 absorption

A numerical investigation of mass transfer in a bubble column reactor using an ionic liquid (IL) as the liquid phase and CO2 as the gas phase has been performed. Three-dimensional transient simulations were done to assess the hy- drodynamics and mass transfer phenomena, a comparison of different models for mass transfer, drag forces, and bubble-induced turbulence (BIT) is also included. Simulations were compared against experimental gas holdup data and correlations for the volumetric mass transfer coefficient (kla), demonstrating good agreement. Results show that accurate modeling of hydrodynamics is essential for reliable mass transfer predictions. Conventional drag models overestimated gas holdup in IL systems, while IL-specific models provided better agreement. Mass transfer models based on the small eddy approach showed greater sensitivity to local flow conditions. The BIT model assessment shows that explicitly including the effect of viscosity provides the best results. Among the studied operating modes, the counter-current configuration achieved the highest mass transfer rates, attributed to increased gas holdup and interfacial area. Simulations were compared against experimental gas holdup data and correlations for the volumetric mass transfer coefficient ($k_la$), demonstrating good agreement. Results show that accurate modeling of hydrodynamics is essential for reliable mass transfer predictions. Conventional drag models overestimated gas holdup in IL systems, while IL-specific models provided better agreement. Mass transfer models based on the small eddy approach showed greater sensitivity to local flow conditions. The BIT model assessment shows that explicitly including the effect of viscosity provides the best results for IL systems. Among the studied operating modes, the counter-current configuration achieved the highest mass transfer rates, attributed to increased gas holdup and interfacial area.

È stata condotta un’indagine numerica sul trasferimento di massa in un bubble column reactor utilizzando un liquido ionico (IL) come fase liquida e CO2 come fase gassosa. Sono state effettuate simulazioni transitorie tridimensionali per valutare i fenomeni idrodinamici e di trasferimento di massa; viene inoltre presentato un confronto tra diversi modelli per il trasferimento di massa, le forze di trascinamento e la turbolenza indotta dalle bolle (BIT). Le simulazioni sono state confrontate con dati sperimentali di frazione di gas (gas holdup) e con correlazioni per il coefficiente di trasferimento di massa volumetrico (kla), mostrando una buona concordanza. I risultati evidenziano che una modellazione accurata dell’idrodinamica è fondamentale per previsioni affidabili del trasferimento di massa. I modelli di drag convenzionali hanno sovrastimato la frazione di gas nei sistemi con IL, mentre i modelli specifici per IL hanno fornito risultati più in accordo con gli esperimenti. I modelli di trasferimento di massa basati sull’approccio dei piccoli eddies hanno mostrato una maggiore sensibilità alle condizioni di flusso locali. La valutazione del modello BIT ha evidenziato che includere esplicitamente l’effetto della viscosità fornisce i risultati migliori. Tra le modalità operative studiate, la configurazione controcorrente ha raggiunto i tassi di trasferimento di massa più elevati, attribuiti all’aumento della frazione di gas e dell’area di interfaccia.