Detailed experimental study of mass transfer and liquid flow in a bubble column with optical measurement techniques

Abstract

Bubble column reactors are used for different chemical and biological processes in the industry. Dispersed gas comes into reaction with the liquid phase through gas-liquid mass transfer. Often mass transfer is the limiting factor for the reaction and its investigation and characterization becomes important for the optimization of a reactor. Non-intrusive optical mass transfer studies in two-phase flows often rely on Laser-Induced Fluorescence (LIF). To follow the gas dissolved into the liquid phase, in these cases, a tracer has to be added to the system, which reacts with the dissolved gas to form a fluorescent species. For a better understanding of the transfer mechanisms and subsequent chemical reactions, the flow around free rising single bubbles and in a cylindrical laboratory-scale bubble column reactor with an aspect ratio of five was investigated. To this end, different non-intrusive methods have been applied around single bubbles and in the reactor. First, shadowgraphy technique is used in the bubble column for the characterisation of the bubbles (bubble diameter, velocity, shape or position) for various process conditions. The influence of water quality, filling height, pH, gas type and different glycerol-water mixtures, together with the surfactant sodium dodecyl sulphate (SDS), were analysed in this study. Thus, the present study covers a viscosity range of 0.86…9.29 mPa·s and a surface tension range of 44.8…72.24 mN·m-1, accordingly, a Morton number range of 1.71x10-11…7.04x10-7. The shadowgraphy technique is based on particle recognition with backlight illumination and combined with Particle Tracking Velocimetry (PTV). The bubble trajectories and velocities in the column can also be obtained in this manner. The bubble sizes and velocities obtained here show a good agreement with correlations proposed in the literature. In contrast, it has been found that in the literature proposed correlations are not able to predict correctly the bubble aspect ratio in cases with higher glycerol concentration or with surfactant. Employing the several million bubble aspect ratios obtained from the present experiments, new correlations based on the Flow number have been proposed for different water-glycerol mixtures with and without surfactant. Furthermore, literature correlations for mass transfer coefficient have been verified against experimental data from the literature regarding their accuracy and applicability. The results have shown that none of the equations can predict the mass transfer coefficient adequately. For this reason, these equations have been extended with the Morton number and new correlations have been proposed. Besides these optimized correlations, a new correlation has been proposed based on the previously suggested aspect ratio calculation. The results computed by the newly proposed correlations have revealed that with decreasing surface tension and decreasing viscosity, the bubble size is decreased but neither the addition of glycerol nor the addition of surfactant was found to be beneficial to mass transfer from the CO2 bubbles into the liquid. Secondly, the liquid phase flow has been analysed in the bubble column and around single bubbles by Particle Image Velocimetry (PIV) with different technical setups, changing the spatial and temporal resolutions. The combination of both measurement methods, delivering relevant information concerning disperse (bubbles) and continuous (liquid) phases, leads to a complete fluid dynamical characterization of the reactor, which is the pre-condition for the analysis of mass transfer between both phases. Due to the bubble size and velocity change in different mixtures, the liquid flow field is changed as well. The highest liquid velocities could be found in the high-viscosity solutions. The liquid velocity profiles are similar for different viscosities, except in the bottom section of the column where the bubble curtain is more concentrated. Finally, the mass transfer from CO2 and air bubbles into the liquid was investigated through two different reaction systems with LIF technique. The single bubble results have shown that behind a spherical bubble a stable stagnant cap evolves, which hinders the mixing and mass transfer. Behind ellipsoidal bubbles this stagnant cap does not exist, therefore the mass transfer is enhanced. The PLIF (planar-LIF) experiments with a bubble chain and a curtain of CO2 have shown that higher mass transfer from gas to liquid can be achieved with higher gas flow rates in pure water. The addition of surfactant and glycerol has a large influence on bubble size and velocity, but neither of them has advantageously affected the mass transfer. The time to reach a certain pH in the column is always prolonged in the solutions with glycerol and at lower gas flow rate. It has been found that neutralization progresses from the top of the column to the bottom. The reasons are the recirculation loops at the top, where the liquid with dissolved gas is trapped. From this loop, just a small amount of liquid is transported near the wall downwards to the column bottom, therefore the remarkable delay in the reaction at the bottom. In a newly applied reaction system with resazurin and air bubbles, the reaction progress decreases also from the top to the bottom of the column, analogue to the CO2 experiments. Until all oxygen is consumed by the reaction in the top section, just a small amount of free dissolved oxygen is transported to the bottom sections. These results have also shown that the reaction of resazurin with oxygen is fast enough to visualize and quantify the mass transfer in a bubble column reactor also in a complex system with bubble curtain and it provides reliable and detailed information about the mixing and mass transfer process in a bubble column. Moreover, the sensitivity of this system at low concentrations is remarkable. The obtained experimental data has already been used for systematic validations of numerical models describing large-scale bubble columns, thus supporting the further development of predictive simulations concerning mass transfer in bubble columns.

Blasensäulen werden sehr häufig für verschiedene chemische und biologische Prozesse in der Industrie eingesetzt. Über gas-flüssig Stofftransport geht dispergiertes Gas in Reaktion mit der Flüssigphase. Häufig ist dabei der Stofftransport der limitierende Faktor für die Reaktion und seine Charakterisierung und Untersuchung ist darum sehr wichtig für die Optimierung eines Reaktors. In zweiphasigen Strömungen werden Studien zum Stofftransport oft mit der berührungslosen optischen Messmethode, Laser-Induzierte Fluoreszenz (LIF) durchgeführt. In die Flüssigphase eingelöstes Gas wird dabei in dem System mittels eines Tracerstoffs verfolgt, welcher mit dem eingelösten Gas fluoreszierende Spezies bildet. Zum besseren Verständnis solcher gas-flüssig Transportmechanismen mit nachfolgenden chemischen Reaktionen wurde in dieser Arbeit die Strömung um frei aufsteigende Einzelblasen und in einem zylindrischen Blasensäulenreaktor im Labormaßstab mit einem Seitenverhältnis von fünf untersucht. Die Messungen wurden mit verschiedenen berührungsfreien optischen Messmethoden um einzelne Blasen und im gesamten Reaktor durchgeführt. Zunächst wurde das Schattenverfahren Verfahren zur Charakterisierung der Blasenparameter (Blasendurchmesser, -geschwindigkeit, -form oder -position) für verschiedene Prozessbedingungen in der Blasensäule verwendet. In dieser Studie wurde der Einfluss von Wasserqualität, Füllhöhe, pH-Wert, Gasart, Viskosität und Oberflächenspannung, auch durch die Verwendung verschiedener Glycerin-Wasser-Mischungen zusammen mit dem Tensid Natriumdodecylsulfat (SDS) analysiert. Somit deckt die aktuelle Studie einen Viskositätsbereich von 0.86…9.29 mPa·s und einen Oberflächenspannungsbereich von 44.8…72.24 mN·m-1 ab, entsprechend einen Morton-Zahl von 1.71×10–11…7.04×10–7. Das Schattenverfahren basiert auf der Partikelerkennung mit Hintergrundbeleuchtung und wird hier mit der Particle Tracking Velocimetry (PTV) kombiniert. Mit der Hilfe der PTV, können auch die Blasentrajektorien und -geschwindigkeiten in der Säule gemessen werden. Die so erhaltenen Blasengrößen und -geschwindigkeiten zeigen eine gute Übereinstimmung mit den in der Literatur vorgeschlagenen Korrelationen. Im Gegensatz dazu wurde aber festgestellt, dass die Korrelationen für das Achsenverhältnis von Blasen aus der Literatur bei höheren Glycerinkonzentrationen oder mit Tensid dieses nicht korrekt vorhersagen können. Mittels der experimentell bestimmten, mehrere Millionen Einzelblasen betreffenden Seitenverhältnisse von Blasen werden darum neue, auf der Flow-Zahl basierende Korrelationen für verschiedene Wasser-Glycerin-Mischungen mit und ohne Tensid vorgeschlagen. Auch die Korrelationen für den Stoffübergangskoeffizienten aus der Literatur wurden auf ihre Genauigkeit und Anwendbarkeit mit Hilfe von experimentellen Daten aus der Literatur überprüft. Die Ergebnisse zeigten, dass keine der Gleichungen den Stoffübergangskoeffizienten ausreichend gut vorhersagen kann. Aus diesem Grund wurden diese Korrelationen mit der Morton-Zahl erweitert und neue Korrelationen vorgeschlagen. Neben diesen optimierten Korrelationen wurde auch eine komplett neue Korrelation vorgeschlagen, die auf der zuvor vorgeschlagenen Berechnung der Achsenverhältnisses der Blasen basiert. Die durch die neu vorgeschlagenen Korrelationen berechneten Ergebnisse aus den eigenen Messungen zeigen, dass mit abnehmender Oberflächenspannung und abnehmender Viskosität die Blasengröße sinkt, aber weder die Zugabe von Glycerin noch die Zugabe von Tensid hatten eine positive Auswirkung auf den Stoffübergang von CO2-Blasen in die Flüssigkeit. Die Flüssigkeitsströmung um einzelne Blasen und in der Blasensäule wurde mittels Particle Image Velocimetry (PIV) bei verschiedenen technischen Einstellungen analysiert, wobei die räumliche und zeitliche Auflösung der Messungen verändert wurde. Die Kombination beider Messmethoden, Schattenverfahren und PIV, liefern relevante Informationen zur dispersen (Blasen) und kontinuierlichen (flüssig) Phase und erlauben so eine vollständige fluiddynamische Charakterisierung des Reaktors, die die Voraussetzung für die Analyse des Stofftransportes zwischen beiden Phasen ist. Aufgrund der Änderungen der Blasengröße und -geschwindigkeit in verschiedenen Wasser-Glycerin Mischungen, ändert sich auch das Strömungsfeld der Flüssig-Phase. Die höchsten Flüssigkeitsgeschwindigkeiten konnten in den hochviskosen Lösungen gemessen werden. Die Profile der Geschwindigkeit sind für die verschiedenen Viskositäten ähnlich, außer im unteren Bereich der Säule, wo der Blasenvorhang noch stark konzentriert ist. Schließlich wurde der Stoffübergang von CO2 und Sauerstoff aus Luftblasen in die Flüssigkeit durch zwei verschiedene Reaktionssysteme mit der LIF-Technik untersucht. Die Einzelblasenergebnisse zeigten, dass sich hinter einer sphärischen Blase eine stabile stagnierende Kappe entwickelt, die das Mischen und den Stoffübergang behindert. Hinter elliptischen Blasen existiert diese stagnierende Kappe nicht, daher wird der Stoffübergang verbessert. Die PLIF (planare-LIF) Experimente in einer Blasenkette und einem Blasenvorhang aus CO2-Blasen zeigten, dass mit höheren Gasdurchflussmengen ein höherer Stoffübergang von Gas zu Flüssigkeit in reinem Wasser erreicht werden kann. Die Zugabe von Tensid und Glycerin hat einen erheblichen Einfluss auf die Blasengröße und -geschwindigkeit, aber keiner von beiden beeinflusst den Stoffübergang vorteilhaft. Die Zeit bis zum Erreichen eines bestimmten pH-Werts in der Säule wird in den Lösungen mit Glycerin ebenso wie bei niedrigerem Gasdurchsatz immer verlängert. Es wurde auch festgestellt, dass die Neutralisation in der Blasensäule von oben nach unten fortschreitet. Die Gründe sind die Wirbel an der Flüssigkeitsoberfläche, in denen die Flüssigkeit mit gelöstem Gas eingeschlossen ist. Aus diesen Wirbeln wird nur eine kleine Menge Flüssigkeit in Wandnähe nach unten zum Säulenboden transportiert. Deswegen ergibt sich eine bemerkbare Verzögerung bei der Gaskonzentration in den unteren Abschnitten. Mit dem neu angewendeten Reaktionssystem mit Resazurin und Luftblasen zeigt sich ein Verhalten, analog zu den CO2-Experimenten: die Gassättigung schreitet von oben nach unten in der Blasensäule fort. Dies zeigt sich auch daran, dass solange nicht der gesamte Sauerstoff durch die Reaktion im oberen Bereich der Säule verbraucht ist, nur geringe Mengen gelöster Sauerstoff zu den unteren Abschnitten transportiert werden. Diese Ergebnisse haben auch gezeigt, dass die Reaktion von Resazurin mit Sauerstoff schnell genug ist, um den Stoffübergang in einem Blasensäulenreaktor zu visualisieren und zu quantifizieren. Dieses System bietet zuverlässige und detaillierte Informationen über den Misch- und Stofftransportprozess in eine Blasensäule. Darüber hinaus ist die Empfindlichkeit dieses Reaktion-Systems bei niedrigen Konzentrationen bemerkenswert. Die experimentellen Daten wurden bereits zur systematischen Validierung numerischer Modelle verwendet, die Blasensäulen im großen Maßstab beschreiben, und unterstützen so die Weiterentwicklung der Simulationswerkzeuge zum Stofftransport in Blasensäulen.