Indagine sperimentale su flussi bifase in colonne verticali

Two-phase flow in large diameter vertical pipes is met in several industrial plants in the chemical, nuclear and oil industry fields. The understanding of the local flow phenomena and bubble properties are of fundamental importance in the understanding and description of the flow dynamics. This thesis is focused on the experimental investigation of the two phase flow in a circular column of 240 mm inner diameter, with and without the presence of inner pipes. Air and water have been used as working fluids at ambient temperature and pressure. In the first part of this thesis, the two phase flow in the configuration with inner pipes has been studied. The following range of operating conditions was analyzed: superficial air velocities up to 23 cm/s and superficial water velocities up to - 11cm/s, corresponding to global air volume fractions (the “holdup”) up to 29%. The experimental investigation concerned (i) flow visualization, (ii) local data from a double fibre optical probe and (iii) gas holdup measurements. The images obtained from an optical camera were used to observe the general flow patterns and obtaining data concerning the shape of the bubbles, diameter distribution and the two phase flow dynamics. The data obtained from the double fibre optical probe were used to study local flow characteristics. In particular, bubble velocity, bubble mean diameter, bubble chord distribution and local void fraction are presented and discussed. The bed expansion technique was used to obtain the gas holdup over a wide range of superficial air velocities and for four superficial water velocities. Data extracted from the image analysis have been used for developing a correlation for the bubble aspect ration. This correlation has been implements in a model for correcting the bubble chord distribution obtained from the double fibre oprtical probe. In the second part of the thesis, the case of a bubble column configuration with a spider sparger distributor has been considered. In this part particular care is given to the bubbly flow. The experimental investigation concerned (i) flow visualization and (ii) local data from a double fibre optical probe. Data are presented, discussed and compared with the previous case. Finally, for very low superficial gas velocities a swarm of rising bubbles is detected and is analyzed for obtaining information concerning bubble parameters, such as bubble position, shape, velocity and rising trajectory.

Il flusso bifase si riscontra in diversi impianti industriali nei settori chimico, nucleare e petrolifero. La comprensione delle caratteristiche locali del flusso e le proprietà delle bolle sono di fondamentale importanza per la comprensione e la descrizione delle dinamiche del flusso. Questa tesi si concentra sull'indagine sperimentale del flusso bifase in una colonna circolare di diametro interno pari a 240 mm con e senza la presenza di pipe interni. Aria e acqua sono stati usati come fluidi operativi a temperatura e pressione ambiente. Nella prima parte di questa tesi, il flusso bifase nella configurazione con pipe interni è stato studiato. Le seguenti condizioni operative sono state analizzate: velocità superficiale dell’aria fino a 23 cm/s e velocità dell’acqua fino a -11 cm/s, cioè fino alla frazione di vuoto pari a 29%. L’indagine sperimentale ha riguardato (i) la visualizzazione del flusso, (ii) i dati locali ottenuti tramite la sonda ottica a doppia punta e (iii) la misurazione della frazione di vuoto globale. Le immagine ottenute da una fotocamera sono state utilizzate per osservare i regimi di moto e sono state ricavate le informazioni riguardanti la forma delle bolle, la distribuzione dei diametri e le caratteristiche del flusso bifase. I dati ottenuti dalla sonda ottica a doppia punta sono stati utilizzati per studiare le caratteristiche locali del flusso bifase. In particolare, la velocità delle bolle, il diametro medio delle bolle, la distribuzione delle lunghezze delle corde e la frazione di vuoto locale sono presentati e discussi. La misura della variazione dell’altezza della colonna di liquido è stata utilizzata per ottenere la frazione di vuoto globale per un ampio intervallo di velocità superficiali dell’aria e per quattro velocità superficiali dell’acqua. I dati estratti dall'analisi delle immagini sono stati utilizzati per sviluppare una correlazione per l’aspect ratio delle bolle. Questa correlazione è stata implementata in un modello per ottenere la distribuzione dei diametri delle bolle a partire dalla distribuzione delle lunghezze delle corde restituita dalla sonda ottica. Nella seconda parte della tesi la configurazione di colonna a gorgogliamento con distributore a ragno è stata considerata. In questa parte particolare attenzione è stata dedicata al regime di moto bubbly. L’indagine sperimentale ha riguardato (i) la visualizzazione del flusso e (ii) le informazioni locali ottenute tramite la sonda ottica. I dati sono presentati, discussi e confrontati con il caso precedente. Infine, per velocità superficiali dell’aria molto basse, sono stati studiati degli sciami di bolle per ottenere informazioni riguardanti la dimensione delle bolle, la loro velocità e la loro traiettoria.