CFD Modeling and Measurement of Liquid Flow Structure and Phase Holdup in Two- and Three-Phase Bubble Columns
Bubble Columns are an important class of reactors in biotechnology and chemical engineering, e. g. with fermentations or in the field of heterogeneous catalysis. This project work started from previously published measurement results of local gas and solid distribution which had been gained from a pilot-plant sized bubble column (local gas holdup up to 20 Vol.-, solid loading up to 10 Vol.-). Aim of CFD calculations with the CFX-4.3 flow code and liquid velocity measurements using the Electrodiffusion method (EDM) now was the detailed explanation of effects observed during the measurements of local dispersed phase content. CFD modeling followed the Euler-Euler multi-fluid approach. Interaction between continuous and dispersed phases was computed via drag law considerations; special attention was paid to modeling of momentum exchange between gas and solid phase. Parameter variations included sparger type, superficial gas velocity and solid loading. Phenomena observed during the measurements like solid transport to the bottom of the reactor with increasing superficial gas velocity could be reproduced and explained by the model. Investigations into the liquid flow structure were carried out with the EDM. This invasive technique allows for systematic two-dimensional measurements of local liquid velocities over the whole reactor volume even at high gas and solid contents. The measurements made a verification of modeling results possible. Keywords: CFD, Fluidization, Momentum Transfer, Three-Phase Flow, Multiphase Reactors, Turbulence, Bubble Columns, Phase Holdup, Liquid Velocity Measurement
Blasensäulen stellen eine wichtige Klasse von Reaktoren in der biologischen und chemischen Verfahrenstechnik dar, z. B. bei Fermentationen oder im Bereich der heterogenen Katalyse. Diese Arbeit baut auf publizierten Messergebnissen zur lokalen Verteilung der Gas- bzw. Feststoffphase in praxisnah zwei- und dreiphasig betriebenen Blasensäulen auf. Diese Messergebnisse sind in einem Modellreaktor im Technikumsmaßstab gewonnen worden (lokaler Gasgehalt bis zu 20 Vol.-, Feststoffbeladung 10 Vol.-). Ziel war es nun, detaillierte Erklärungen für die gemessenen axialen und radialen Gas- und Feststoffverteilungen zu finden. Zu diesem Zweck wurden CFD-Modellierungsrechnungen mit dem Programmpaket CFX-4.3 und Messungen der lokalen Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit mittels der Elektrodiffusionsmethode (EDM) durchgeführt. Zur CFD-Modellierung wurde das Euler-Euler-Verfahren verwendet. Wechselwirkungen zwischen Flüssigphase und den dispersen Phasen wurden über Widerstandsansätze modelliert. Als besonders wichtig hat es sich für die Dreiphasenströmungen herausgestellt, auch die direkten Wechselwirkungen zwischen Gas und Feststoff zu modellieren. Parametervariationen umfassten Begasertyp, Gasleerrohrgeschwindigkeit und Feststoffbeladung. Bei den Messungen beobachtete Phänomene wie der Transport von Feststoff zum Reaktorboden bei zunehmender Gasleerrohrgeschwindigkeit konnten mit dem Modell abgebildet und erklärt werden. Zur Aufklärung der Flüssigkeits-Strömungsstruktur wurden EDM-Messungen durchgeführt. Diese invasive Messmethode erlaubte es, auch bei hohen Gas- und Feststoffgehalten zweidimensionale Messungen lokaler Flüssigkeitsgeschwindigkeiten systematisch über den gesamten Reaktor vorzunehmen. Dies ermöglichte es, die Erklärungen der Mechanismen im Reaktor weiter zu erhärten. Suchbegriffe: CFD, Fluidisierung, Impulsaustausch, Dreiphasenströmungen, Mehrphasenreaktoren, Turbulenz, Blasensäulen, Phasengehalte, Flüssigkeitsgeschwindigkeitsmessung
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