CFD Modeling of Multiphase Turbulent Flows in a Bubble Column Reactor

Abstract

Aquest treball presenta l'estudi numèric de fluxos turbulents bifàssics en un reactor de columna de bombolles en 3D utilitzant diferents models a diferents escales. En primer lloc se centra en la hidrodinàmica, las transicions del règim de flux i la transferència de massa utilitzant el model de barreja Euler-Euler k-ε per amplis rangs de velocitats superficials de gas. S'ha posat èmfasi en avaluar el rendiment d'aquest model i l'anàlisi de les transicions del règim de flux i el comportament del flux transitori dins del reactor de columna de bombolles. Es presenta la quantificació de les forces interfacials en diferents parts del reactor. Es comparen diferents models de l'estimació del coeficient global de transferència de massa, como són el model de penetració per lliscament i el model de cel·les de remolí, amb les dades experimentals per analitzar la transferència de massa. Els resultats revelen alguns dels trets característics dels règims de flux homogenis i heterogenis en la circulació de líquids, la retenció de gas, les fluctuacions turbulentes i la transferència de massa gas-líquid. Per als règims de flux transitori i turbulent s'han utilitzat les simulacions de grans remolins d'Euler-Euler per obtenir una resolució fiable de l'escala.

Este trabajo presenta el estudio numérico de flujos turbulentos bifásicos en un reactor de columna de burbujas en 3D utilizando diferentes modelos a diferentes escalas. En primer lugar se centra en la hidrodinámica, las transiciones del régimen de flujo y la transferencia de masa utilizando el modelo de mezcla Euler-Euler k-ε para amplios rangos de velocidades superficiales de gas. Se ha puesto énfasis se ha puesto en evaluar el rendimiento de este modelo y el análisis de las transiciones del régimen de flujo y el comportamiento del flujo transitorio dentro del reactor de columna de burbujas. Se presenta la cuantificación de las fuerzas interfaciales en diferentes partes del reactor. Se comparan diferentes modelos de la estimación del coeficiente global de transferencia de masa, como son el modelo de penetración por deslizamiento y el modelo de celdas de remolino, con los datos experimentales para analizar la transferencia de masa. Los resultados revelan algunos de los rasgos característicos de los regímenes de flujo homogéneos y heterogéneos en la circulación de líquidos, la retención de gas, las fluctuaciones turbulentas y la transferencia de masa gas-líquido.

This work presents numerical study turbulent two-phase flows in a 3D bubble column reactor using different models at different scales. The focus is first set on the hydrodynamics, flow regime transitions and mass transfer using the Euler-Euler mixture k-ε model at wide ranges of superficial gas velocities. The emphasis is to assess the performance of this model and the analysis of the flow regime transitions and the transient flow behavior inside the bubble column reactor. The quantification of the interfacial forces at different parts of the reactor are presented. Different models of the overall mass transfer coefficient estimation, namely the slip penetration model and the eddy cell model, are compared against the experimental data to analyze the mass transfer. The results reveal some of the characteristic features of homogeneous and heterogeneous flow regimes on the liquid circulation, gas holdup, turbulent fluctuations and gas-liquid mass transfer. For transient and turbulent flow regimes, Euler-Euler large eddy simulations were used for a reliable scale resolution. The flow is more dynamic, and more details of the instantaneous local flow structure have been obtained including large-scale structures and vortices developed in the bubble plume edge.