Kabarcık Kolonda Akış Rejiminin Deneysel Olarak İncelenmesi

Abstract

Bulamaç (Slurry) faz kabarcık kolonlar çok fazlı reaktörler olarak kimya endüstrisinde oldukça fazla kullanılmaktadırlar. Oksidasyon ve hidrojenasyon reaksiyonları, Fischer – Tropsch (FT) sentezi ve metanol sentezi bu tarz reaktörlerin kullanıldığı uygulamalardan bir kaçıdır. Bulamaç faz kabarcık kolonların diğer çok fazlı reaktörlere üstünlükleri olarak: basit konstrüksiyonu, çok etkin kütle ve ısı transferleri, kolonda hareketli parça olmayışı ve düşük işletme maliyetleri sayılabilir. Bulamaç faz kabarcık kolonların tasarımında ortalama gaz kesri, rejim geçiş hızları, sıvı hızı, kabarcık boyutları gibi hidrodinamik karakteristiklerin çok güvenilir bir şekilde tahmin edilmesi gerekmektedir. Bu karakteristikler sıvı, katı ve gaz faza ait özelikler, işletme koşulları (basınç ve sıcaklık) ve reaktör tasarım parametreleri (kolon çapı ve gaz dağıtıcı) gibi değişkenlerden etkilenmektedir. Bu yüksek lisans tezi kapsamında, gaz dağıtıcı plaka tipi ve geometrisinin hidrodinamik karakteristiklerden gaz kesri ve rejim geçiş hızları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Deneysel çalışmalar 33 cm iç çap değerine sahip pleksi malzemeden yapılmış silindirik bir kabarcık kolonda, akışkan çifti olarak hava/su ikilisi kullanılarak atmosferik şartlarda gerçekleştirilmiştir. Kolon üzerine belirli aralıklarla yerleştirilen basınç ölçerler yardımıyla basınç farkı verisi elde edilmiş ve bu veriler kullanılarak gaz kesri eğrisi elde edilmiştir. Sürüklenme akısı yöntemi kullanılarak rejim geçiş hızları tespit edilmiştir. İki farklı tipte, dört adet gaz dağıtıcı için rejim geçişinin gerçekleştiği noktalar belirlenmiştir. Delikli plaka tipi gaz dağıtıcılarda artan delik çapı için gaz kesri değerlerinin azaldığı ve rejim geçişlerinin daha düşük ortalama gaz hızlarında gerçekleştiği görülmüştür. Gaz dağıtıcı olarak delikli plaka yerine örümcek tipi dağıtıcı kullanılması halinde gaz kesri eğrileri arasında homojen akış rejiminde pek bir fark görülmezken heterojen (çalkantılı-türbülanslı) rejimde ciddi farklılıklar gözlemlenmiştir. Delikli plaka tipi gaz dağıtıcı kullanılması durumunda gaz kesri değerleri % 30’lara kadar daha yüksek olmaktadır. Test sistemi için yapılan boyut analizi sonucu deneylerde etkili olan boyutsuz sayılar belirlenmiş ve regresyon analizi yapılarak gaz kesrini boyutsuz sayılarla ifade eden bir korelasyon elde edilmiştir.

Slurry bubble columns (SBC) are widely used in the chemical industry as a multiphase reactor. Some applications include oxidation and hydrogenation reactions, Fischer-Tropsch (FT) synthesis, and methanol synthesis. The advantages of a SBC over other multiphase reactors are simple construction, good mass and heat transfer, absence of moving parts, and low operation costs. The design of a SBC reactor requires a reliable prediction of the hydrodynamic characteristics such as: the overall gas hold-up, the regime transition velocity, the liquid velocity, the gas bubble diameters. These are influenced by the physical properties of the gas, the liquid, and the solid phases, the operating parameters (pressure and temperature), and the reactor design parameters (column diameter and gas distributor). In this MSc thesis, the influence of gas distributor type and geometry on overall gas holdup and regime transition velocities are examined. Experiments were performed in a cylindrical plexiglass bubble column (BC) with an inner diameter of 33 cm under atmospheric conditions using air/water as the fluid pair. The gas holdup was measured using pressure transmitters which are placed at the specified intervals on the bubble column. Drift flux method was used to identify the regime transition velocities. Regime transition points were determined for two different type and for four pieces of gas distributors. The gas holdup and regime transition velocities decrease with increasing the hole diameter of perforated plate type gas distributor. When a spider type gas distributor is used instead of using a perforated plate type gas distributor, there is no difference between the gas holdup curves for homogeneous flow regime while significant differences observed in the heterogeneous flow regime. Up to 30% higher gas holdup values are obtained when the spider type gas distributor is used instead of using perforated plate type gas distributor. Dimensional analysis was carried out to determine the effective dimensionless numbers. A correlation for gas holdup is obtained by using a regression analysis.