CFD modeling of flow, macro-mixing and axial dispersion in a bubble column

Authors


Abstract

The flow pattern in a bubble column depends upon the column diameter, height, sparger design, superficial gas velocity and the nature of gas–liquid system. In this paper, the effect of some of these parameters have been simulated using Computational Fluid Dynamics (CFD). The relationship of these parameters with the interphase force terms has been discussed. A complete energy balance has been established. Using this methodology, the flow patterns reported by Hills (1974), Menzel et al. (1990), Yao et al. (1991) and Yu and Kim (1991) have been simulated. Excellent agreement has been shown between the CFD predictions and the experimental observations. The above model has been extended to homogenization of an inert tracer. In order to confirm this model, mixing experiments were carried out in a 200 mm i.d. bubble column. A radioactive tracer technique was used for the measurement of mixing time. Tc-99m (99mTc), in the form of sodium pertechnate salt, was used as the liquid phase tracer. Good agreement has been shown between the predicted and the experimental values of mixing time. The model was further extended for the estimation of axial dispersion coefficient (DL). Excellent agreement between the simulated and the experimental values of the axial dispersion coefficient confirms the predictive capability of the CFD simulations for the mixing process.

Abstract

Le profil d'ècoulement dans une colonne à bulles dèpend du diameátre de la colonne, de sa hauteur, de la conception de l'aèrateur, de la vitesse de gaz superficielle et de la nature du systeáme gas—liquide. Dans cet article, l'effet de certains de ces parameátres a ètè ètudiè par simulation numèrique (CFD). La relation de ces parameátres avec les termes de force interphasique est discutèe. Un bilan d'ènergie complet a ètè ètabli. Á l'aide de cette mèthodologie, les profils d'ècoulement signalès par Hills (1974), Menzel et al. (1990), Yao et al. (1991) et Yu et Kim (1991) ont ètè simulès. On a montrè un excellent accord entre les prèdictions de la CFD et les observations expèrimentales. Le modeále ci-dessus a ètè ètendu à l'homogènèisation d'un traceur inerte. Afin de confirmer ce modeále, des expèriences de mèlange ont ètè menèes dans une colonne à bulles de 200 mm de diameátre intèrieur. Une technique de traceur radioactif a ètè utilisèe pour la mesure du temps de mèlange. On a utilisè 7e-99m (99m Te), sous forme de sel de pertechnate de sodium, comme traceur de la phase liquide. Un bon accord a ètè trouvè entre les valeurs prèdites et les valeurs expèrimentales du temps de mèlange. Le modeále a ensuite ètè ètendu pour l'estimation du coefficient de dispersion axiale (DL). Un excellent accord entre les valeurs simulèes et les valeurs expèrimentales du coefficient de dispersion axiale confirme la capacitè prèdictive des simulations de CFD pour le procèdè de mèlange.

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