Modelování přenosu hmoty v probublávané koloně

Jan ČÁDA

Bachelor's thesis

Modeling of mass transfer in a bubble column

Abstract:

Systémy obsahující kapalinu s dispergovanou plynnou fází jsou široce používány v různých průmyslových aplikacích a to zejména v chemickém průmyslu. Potřeba optimalizovat chování těchto zařízení se stala důvodem mnoha intenzivních výzkumů, které se často zaměřují na zvýšení účinnosti sdíleni hmoty mezi kapalnou a dispergovanou plynnou fází. Hlavním cílem této práce byl vývoj softwaru pro vyhodnocení objemového koeficientu přestupu hmoty kyslíku a to na základě srovnání experimentálních dat měřených pomocí dynamické tlakové metody v probublávaných kolonách s numerickým řešením transportního modelu, jehož základ tvoří čtyři bilanční diferenciální rovnice popisující transport kyslíku a dusíku. Výsledná hodnota objemového koeficientu přestupu hmoty byla zvolená tak, aby rozdíl mezi experimentálními hodnotami a řešením modelu byla minimální. Z výsledků vyhodnocování koeficientu přestupu hmoty vyplývá, že hodnota koeficientu roste s nárůstem mezivrstvové rychlosti. Tento jev je zejména dán nárůstem specifického mezifázového povrchu dispergované fáze v probublávaných kolonách. Vyhodnocování dat v rámci dynamické tlakové metody bylo provedeno pro rychlou a pomalou změnu tlaku. V případě modelu se rovněž diskutovala ideální změna, která odpovídá okamžité skokové změně tlaku z minimální na maximální hodnotu. Bylo ukázáno, že pro korektní vyhodnocení koeficientu transportu hmoty je nutné v modelu realisticky popsat tlakovou změnu. Dalším zkoumaným parametrem v rámci této práce byl vliv složení vstupního plynu. Byl použit čistý kyslík a vzduch. Bylo zjištěno, že v obou případech hodnoty koeficientu přestupu hmoty rostou s nárůstem mezivrstvové rychlosti. V případě čistého kyslíku je však tento nárůst výraznější zejména pro vyšší hodnoty mezivrstvové rychlosti.

Abstract:

The systems that contain liquids with dispersed gas phase are vastly used in different industrial applications. The main goal of this thesis is the development of software for estimation of the volume mass transfer coefficient based on the comparison of experimental data that has been measured by the dynamic pressure method in bubble columns with the numerical solution of the transport model of oxygen and nitrogen which is based on the four ordinary differential balance equations. The final value of the volume mass transfer coefficient was chosen so the difference between the experimental values and the solution of the model is minimal. The evaluation results of the mass transfer coefficient show that the value of the coefficient increases with the increase of the gas superficial velocity. This phenomenon is based on the increasinge the specific interfacial surface of the dispersed phase in the bubble columns. The evaluation of data for the dynamic pressure method was done by using fast and slow changes of pressure. In the case of the model, the ideal change was also discussed, which corresponds to the immediate pressure change from the minimum to the maximum value. It was shown that it is essential to realistically define the pressure change for the correct evaluation of the mass transfer coefficient. The next examined parameter was the composition of input gas. Pure oxygen and air were used. This work found out that both coefficient values are higher with the higher gas superficial velocity. However, in pure oxygen, this increase is more pronounced, especially for higher values of the gas superficial velocity.

Keywords

probublávané kolony, koeficient přestupu hmoty, dynamická tlaková metoda, konvoluce

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 8. 2021

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Jaromír Havlica, Ph.D.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Applied Physics / Applied Computer Modelling