Kare mini kanaldaki akış yönünün kütle transferine etkisi

Abstract

Hava kabarcığı akışı, mükemmel kütle transferi özelliklerinden dolayı katalitik yekpare reaktörler için çok cazip bir akış rejimidir. Bu rejim, birbirlerini takip eden gaz kabarcıklarından oluşur. Çok fazlı yekpare reaktörler, aşağı eşyönlü veya yukarı eşyönlü olarak çalıştırılabilirler. Bir kare mini kanaldaki hava kabarcığı akışı için güncel deneysel araştırmalar, sıvı akış ara bölmesi ve kanal duvarı arasındaki kütle transferinin, yukarı eşyönlü akışta aşağı eşyönlü akışa nazaran daha verimli olduğunu iddia etmektedir. Bu olgu, daha düşük devridaim zamanı (?cir) ile ilişkilendirilmiştir.Bu çalışmada kare bir kanal içerisindeki hava kabarcığı akışı analitik olarak incelenmiştir. Devridaim zamanı, akışı tam gelişmiş laminer akış olarak kabul ederek, hava kabarcığının hızının (UB) görünür (superficial) hıza (J) olan oranının (?) bir fonksiyonu olarak ( ?cir = ?cir (?) ) elde edilmiştir. Sıvının uyguladığı kaldırma kuvvetinin etkisiyle bu ? oranı, belli bir UB veya J için yukarı eşyönlü akış için daha büyük olmaktadır. Bu ?cir(?) ilişkisi, daha verimli kütle transferine sebep olacak şekilde devridaim zamanının aşağı eşyönlü akış için daha küçük olduğunu göstermektedir. Bu analitik sonuç, literatürde bir fiziki dayanak olmaksızın belirtilenlerin tersi olmakla beraber, küçük geometriler nedeniyle bu ölçümlerin hatalı yapılmış olabileceğini göstermektedir. Aynı zamanda elde edilen analitik sonuçlar akışkan hacmi metoduna dayanan TURBIT hesaplamalı akışkanlar kodu sayesinde üç boyutlu nümerik simülasyonlarla da kare mini kanal içerisinde hava kabarcığı dizisi akış rejimi için doğrulanmış, sıvı akış ara bölmesi ve kanal duvarı arasındaki kütle transferinin aşağı eşyönlü akış için gerçekten daha verimli olduğu görülmüştür.

Bubble train flow (BTF) constitutes a very attractive flow pattern for catalytic multiphase monolith reactors because of its excellent mass transfer properties and it consists of a sequence of bubbles. Multiphase monolith reactors can be operated in co-current upward or co-current downward flow. Recent experimental investigations of BTF in a square mini-channel suggest that mass transfer between the slug and the channel wall may be more efficient in upward than in downward flow. This is attributed to the lower recirculation time, ?cir.In this study the recirculation time in bubble train flow through a rectangular channel is investigated analytically. By assuming a fully developed laminar liquid slug, a relation ?cir = ?cir (?) is obtained, where ? = UB/J and UB and J are the magnitude of the bubble velocity and the total superficial velocity, respectively. The relation ?cir (?) shows that ?cir is smaller in downward than in upward flow, indicating that mass transfer in downward flow may be more efficient. This analytical result is in contrast to some results in literature and indicates that the measurements may be erroneous because of small dimensions. The present analytical results are confirmed by 3D numerical simulations of upward and downward bubble train flow in a square mini-channel with the volume-of-fluid method based CFD code (TURBIT), which show that mass transfer between the wall and the liquid slug is indeed more efficient for downward flow.