Please use this identifier to cite or link to this item: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/1416
Title: Bubble characteristics and liquid circulation in internal loop airlift contactors
Other Titles: พฤติกรรมของฟองก๊าซและการไหลวนภายในของของเหลวในถังสัมผัสอากาศยกประเภทที่มีการไหลวนแบบภายใน
Authors: Porntip Wongsuchoto
Advisors: Prasert Pavasant
Tawatchai Charinpanitkul
Other author: Chulalongkorn University. Faculty of Engineering
Advisor's Email: prasert.p@chula.ac.th
ctawat@pioneer.chula.ac.th
Subjects: Mass transfer
Bubbles
Hydrodynamics
Issue Date: 2002
Publisher: Chulalongkorn University
Abstract: This work aimed at the development of the basic knowledge regarding the behavior of the internal loop airlift contactor (ALC). Three main aspects were investigated including: (i) the bubble size distribution in the contactor and its effect on gas-liquid mass transfer; (ii) the internal liquid flow within riser of the contactor; and (iii) the development of the mathematical model for the prediction of gas-liquid mass transfer behavior in the system. The bubble size distribution in the riser of the ALC was found to follow a normal distribution when the supplied superficial gas velocity was lower than 1 cmํs[superscript -1]. The average bubble size in the riser of the system at this condition was found to be about 7-8 mm. As the superficial gas velocity increased to approximately 2-4 cmํs[superscript -1], the size distribution changed from normal to multimodal types with two dominant bubble sizes at 3-5 and 7-8 mm. At a high range of superficial gas velocity (5 cmํs[superscript -1] up to the upper limit of this work at 12 cmํs[superscript -1]), the bubble size followed a lognormal distribution with a small bubble at 3-5 mm dominating the system. The cross-sectional area ratio between downcomer and riser of the ALC was found to affect the bubble size only when the superficial gas velocity was greater than 2.9 cmํs[superscript -1] and the ratio of 0.4 was observed to give the lowest average bubble size. The analysis of the bubble size distribution revealed that the increase in the superficial gas velocity did not have significant effect on the gas-liquid mass transfer coefficient in the ALC, rather it caused the bubble to become smaller. This increased the mass transfer area between gas and liquid which increased the overall gas-liquid mass transfer rate. The comparison between liquid velocity from experiment and from mass/energy balances indicated that there must exist an internal liquid circulation within the riser. The downflow liquid flowrate in theriser was found to increase with superficial gas velocity. The ratio between downcomer and riser cross sectional areas (Ad/Ar) was found not to influence the fraction of downflow and upflow areas but the extent of internal circulation was less pronounced in the system with a large Ad/Ar. The mathematical model for the ALC divided the system into three sections, each of which had different mixing performance. The first two sections were riser and downcomer for which the mixing were described by a plug flow with dispersion. The gas separation section at the top of the ALC, on the other hand, was described by a completely mixed model. Not only did the simulation results on the oxygen concentration profiles agreed well with the experimental results obtained from this work, it also could satisfactorily explain the results of the experiments reported in literature.
Other Abstract: งานวิจัยนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อพัฒนาความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับพฤติกรรมของถังสัมผัสอากาศยกประเภทที่มีการไหลวนแบบภายในเพื่อเป็นประโยชน์ในการออกแบบใช้งานในระดับอุตสาหกรรมต่อไปในอนาคต โดยการศึกษาแบ่งออกเป็น 3 ส่วนหลัก คือ (ก) การศึกษาการกระจายตัวของฟองก๊าซภายในถังสัมผัส ฯ และผลกระทบของการกระจายตัวของฟองก๊าซต่ออัตราการถ่ายเทมวลระหว่างก๊าซและของเหลว (ข) การศึกษาปรากฎการณ์การไหลวนภายในของของเหลวภายในส่วนให้อากาศ (Riser) ของถังสัมผัส ฯ และ (ค) การพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการทำนายพฤติกรรมการถ่ายเทมวลสารของถังสัมผัส ฯ การศึกษาการกระจายตัวของฟองก๊าซทำให้ทราบว่าฟองก๊าซภายในส่วนของการให้อากาศ (Riser) จะมีการกระจายตัวแบบปกติเมื่อความเร็วของก๊าซที่ให้กับระบบมีค่าต่ำกว่า 1 ซมต่อวินาที โดยมีค่าขนาดฟองก๊าซเฉลี่ยเท่ากับ 7-8 มิลลิเมตร และการกระจายตัวจะเปลี่ยนจากแบบปกติเป็นแบบ Multimodal เมื่อความเร็วของก๊าซอยู่ในช่วง 2-4 ซมต่อวินาที ซึ่งในช่วงนี้ ฟองก๊าซจะมี2 กลุ่มหลัก คือกลุ่มที่มีขนาดเฉลี่ยค่อนข้างใหญ่ประมาณ 7-8 มิลลิเมตร และกลุ่มที่มีขนาดเฉลี่ยเล็กประมาณ 3-5 มิลลิเมตร และเมื่อความเร็วสูงขึ้น (จนกระทั่งถึงประมาณ 12 ซมต่อวินาที ซึ่งเป็นความเร็วสูงสุดที่ใช้ในงานวิจัยนี้) การกระจายตัวจะเป็นแบบ Lognormal โดยมีสัดส่วนของฟองก๊าซขนาดเล็กสูงขึ้น ซึ่งขนาดเฉลี่ยของฟองก๊าซในช่วงนี้มีค่าเท่ากับ 3-5 มิลลิเมตร การเพิ่มขนาดของส่วนการให้อากาศมีผลต่อขนาดของฟองอากาศเฉพาะในกรณีที่ความเร็วของอากาศที่ป้อนเข้าสู่ระบบมีค่าสูงกว่า 2.9 ซมต่อวินาที โดยงานวิจัยนี้พบว่าฟองก๊าซมีขนาดเล็กที่สุดเมื่อค่าอัตราส่วนระหว่างพื้นที่หน้าตัดของส่วนการไม่ให้อากาศและส่วนการให้อากาศมีค่าเท่ากับ 0.4 และเมื่อศึกษาถึงความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของฟองก๊าซต่อพฤติกรรมการถ่ายเทมวลสารระหว่างวัฏภาคก๊าซและของเหลวพบว่า การเพิ่มความเร็วของก๊าซในช่วงของการทดลองในงานวิจัยนี้ไม่มีผลกระทบที่มีนัยสำคัญต่อค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวล แต่การที่ฟองก๊าซมีขนาดเล็กลงมีส่วนทำให้พื้นที่ผิวการแลกเปลี่ยนมวลระหว่างวัฏภาคทั้งสองนี้มีค่ามากขึ้น และส่งผลให้มีค่าอัตราการถ่ายเทมวลสารระหว่างวัฏภาคมีค่าสูงขึ้น การเปรียบเทียบความเร็วของของเหลวในส่วนการให้อากาศ (Riser) และส่วนไม่ให้อากาศ (Downcomer) ที่ได้จากการทดลองกับผลการคำนวณจากสมการอนุรักษ์มวลสารและพลังงานแสดงให้เห็นว่าการไหลของของเหลวภายในส่วนให้อากาศ (Riser) นั้นมีทั้งส่วนที่ไหลขึ้นและไหลลง โดยที่สัดส่วนของของเหลวที่ไหลขึ้นต่อของเหลวที่ไหลลงจะเพิ่มขึ้นเมื่อความเร็วก๊าซเพิ่มขึ้น ในขณะที่อัตราส่วนของพื้นที่ของส่วนให้อากาศ กับพื้นที่ของส่วนไม่ให้อากาศไม่มีผลต่อสัดส่วนของพื้นที่ที่ของเหลวไหลลงกับพื้นที่ที่ของเหลวไหลขึ้นในส่วนให้อากาศแต่มีผลกับสัดส่วนของของเหลวที่ไหลขึ้นต่อของเหลวที่ไหลลง ซึ่งสัดส่วนของของเหลวที่ไหลขึ้นต่อของเหลวที่ไหลลงนี้จะมีปริมาณมากขึ้นเมื่ออัตราส่วนระหว่างพื้นที่หน้าตัดของส่วนไม่ให้อากาศต่อพื้นที่หน้าตัดของส่วนให้อากาศเพิ่มขึ้น และสำหรับการพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่ออธิบายพฤติกรรมการถ่ายเทมวลสารนั้นได้ทำโดยการแบ่งถังสัมผัสออกเป็น 3 ส่วนที่มีพฤติกรรมการผสมผสานที่แตกต่างกัน คือ ส่วนของการให้อากาศ (Riser) และส่วนของการไม่ให้อากาศ (Downcomer) ให้มีพฤติกรรมแบบการไหลในท่อที่มีการกระจายตัวในแนวการไหล และส่วนการแยกก๊าซ (Gas-Liquid Separator) ให้มีการไหลแบบผสมผสานสมบูรณ์ ซึ่งแบบจำลองที่พัฒนาขึ้นมานี้สามารถทำนายพฤติกรรมการถ่ายเทมวลสารในระบบถังสัมผัสอากาศยกที่ใช้ในงานวิจัยนี้ได้ดี และยังสามารถใช้ในการอธิบายผลการทดลองที่ได้จากการรวบรวมเอกสารได้ในระดับที่น่าพอใจ
Description: Thesis (D.Eng.)--Chulalongkorn University, 2002
Degree Name: Doctor of Engineering
Degree Level: Doctoral Degree
Degree Discipline: Chemical Engineering
URI: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/1416
ISBN: 9741724632
Type: Thesis
Appears in Collections:Eng - Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
PorntipWong.pdf2.05 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.