Hydrodynamika kolumny air-lift PDF

Preview

Summary

Download Hydrodynamika kolumny air-lift PDF

Description

HYDRODYNAMIKA W APARATACH KOLUMNOWYCH TYPU AIR-LIFT Opracowano na podstawie pracy inżynierskiej, ZUT, Szczecin 2015. Opracowanie tylko do użytku wewnętrznego. Kopiowanie i rozpowszechnianie zabronione.

1. Budowa i charakterystyka kolumny air - lift Kolumna typu air - lift należy do klasy aparatów kolumnowych pracujących na zasadzie barbotażu. Kolumna ta ma specjalną budowę decydującą o kierunku cyrkulacji cieczy. Wyróżnia się kolumny air - lift z cyrkulacją wewnętrzną lub z cyrkulacją zewnętrzną. Rodzaje konstrukcji tych kolumn przedstawiono na Rys. 1. Pierwsze trzy propozycje (Rys. 1. a-c) to kolumny air - lift z cyrkulacją wewnętrzną, a dwie pozostałe (Rys. 1. d,e) - z cyrkulacją zewnętrzną. Kolumna air - lift z cyrkulacją wewnętrzną składa się z dwóch współosiowych rur. W zależności od miejsca wprowadzenia gazu do aparatu rura środkowa może stanowić strefę wznoszenia bądź opadania mieszaniny ciecz - gaz. Kolumnę air - lift z cyrkulacją zewnętrzną stanowią dwie rury usytuowane obok siebie połączone dwiema poziomymi rurami na szczycie i przy dnie. Rozwiązania konstrukcyjne tego typu kolumny air - lift różnią się sposobem odpowietrzania cieczy. Na Rys. 1d widać w górnej części kolumny swobodną powierzchnię odpowietrzania, zaś na Rys. 1e pokazano rozwiązanie, w którym można odpowietrzać mieszaninę w każdej rurze oddzielnie. Litera P wraz z strzałką na Rys. 1 pokazują miejsce wprowadzania gazu do kolumny, a duże strzałki w środku kolumny pokazują kierunek cyrkulacji mieszaniny ciecz - gaz. Strzałka skierowana do góry oznacza strefę wnoszenia, a strzałka skierowana w dół – strefę opadania. Ponadto wyróżnia się strefę separacji i przydenną. Gaz wprowadzany do strefy wznoszenia powoduje napowietrzenie cieczy. W górnej części następuje częściowe odgazowanie cieczy i tę strefę nazwano strefą separacji. Odgazowana częściowo mieszanina ciecz - gaz o gęstości większej niż przed odgazowaniem spływa grawitacyjnie w dół aparatu. W strefie nazwanej przydenną zmiesza się z nową porcją gazu i taka mieszanina o gęstości mniejszej niż przed napowietrzaniem jest unoszona w górę aparatu (w strefie wznoszenia) do strefy separacji. Cyrkulacja cieczy w kolumnach air - lift jest wymuszona konstrukcją tego aparatu. Przepływ cieczy uwarunkowany jest miejscem wprowadzania gazu, ponieważ ciecz bogata w gaz jest lżejsza od samej cieczy. Dlatego też ciecz napowietrzona wznosi się ku górze, a ciecz odpowietrzona opada w dół ze względu na swój ciężar. Różnica gęstości cieczy w strefie wnoszenia i opadania warunkuje różne stopnie zatrzymania gazu w obu strefach. Można stwierdzić, że siłą napędową procesu cyrkulacji fazy ciekłej jest różnica ciśnień hydrostatycznych, które są wynikiem różnych wartości stopnia zatrzymania gazu w obu strefach. Parametrami, które charakteryzują pracę kolumny air - lift są zazwyczaj:  szybkość cyrkulacji cieczy;  średni stopień zatrzymania gazu;  czas mieszania;  dyspersja fazy gazowej. Wszystkie wielkości podane powyżej są zależne od geometrii kolumny, własności mediów oraz ilości doprowadzanego gazu. Kolumny air - lift posiadają dużo zalet:  prosta konstrukcja;  brak części ruchomych;  niskie zużycie energii;  mały obszar wymagany na zainstalowanie kolumny;  intensywne mieszanie faz;

1



możliwość wzrostu mikroorganizmów, które są wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne.

Rys. 1. Rodzaje konstrukcji kolumn air - lift: a) z cyrkulacją wewnętrzną z napowietrzaniem w części centralnej b) z cyrkulacją wewnętrzną z napowietrzaniem w przestrzeni międzyrurowej c) z cyrkulacją wewnętrzną z płaską przegrodą d) z cyrkulacją zewnętrzną ze swobodną powierzchnią e) z cyrkulacją zewnętrzną z ograniczoną powierzchnią odpowietrzania P – powietrze Istotną zaletą jest również to, że prędkość przepływu gazu w kolumnie air - lift może być nawet o dwa rzędy wielkości większa niż w zwykłej kolumnie barbotażowej. W porównaniu z aparatami

2

zbiornikowymi wyposażonymi w mieszadło, kolumny air - lift charakteryzują się równomiernym napowietrzeniem objętości aparatu oraz brakiem obszarów o większych naprężeniach ścinających. Stwierdzono również, że naprężenia ścinające są mniejsze w strefie opadania niż w strefie wznoszenia. W kolumnach typu air - lift mogą być prowadzone procesy w układzie dwufazowym ciecz gaz oraz w układzie trójfazowym ciecz – gaz - ciało stałe. W tym drugim przypadku szczególną uwagę przykuwają procesy katalityczne. Wówczas wymiana masy pomiędzy cieczą i gazem zachodzi w obecności katalizatora, którym jest ciało stałe. Właściwościami hydrodynamicznymi, które sprzyjają takiemu układowi są duże prędkości cyrkulacji i duży stopień recyrkulacji gazu w kolumnach air - lift. Przykładem zastosowania takiego układu jest uwodornienie tłuszczów. Liczne zastosowania kolumn air - lift spowodowały duże zainteresowanie tymi aparatami. Stosowane są głównie w przemyśle chemicznym oraz biotechnologicznym, do prowadzenia procesów fermentacji i co istotne do oczyszczania ścieków. Kolumny air - lift charakteryzują się właściwie rozwiniętą powierzchnią kontaktu faz, możliwe dużymi prędkościami cyrkulacji cieczy oraz dużym stopniem zatrzymania gazu w cieczy, dzięki czemu znalazły one zastosowanie w procesach wytwarzania mikrocząstek ciała stałego. Na szczególną uwagę zasługują reakcje katalityczne wspomniane wcześniej, jak również procesy biodegradacji z unieruchomionymi mikroorganizmami. Interesującym przykładem reaktorów typu air - lift jest reaktor air - lift z odwrotną warstwą fluidalną, w którym unieruchomione drobnoustroje są umieszczone w strefie opadania. Bezruch mikroorganizmów na cząstkach ciała stałego warunkuje lepszy wzrost biomasy, a umieszczenie ich w strefie opadania jest uzasadnione występującymi tam mniejszymi naprężeniami ścinającymi. Reaktor taki może mieć także zastosowanie w procesach oczyszczania ścieków.

2. Hydrodynamika kolumny air-lift Do podstawowych wielkości charakteryzujących hydrodynamikę kolumny air-lift należą: - udział gazu zatrzymanego w cieczy, - czas mieszania, - prędkość cieczy w strefie opadania - prędkość cieczy w strefie wznoszenia Wartości tych parametrów zależą od wielkości strumienia powietrza wprowadzanego do kolumny. Wraz ze wzrostem strumienia powietrza wprowadzanego do kolumny zwiększa się udział gazu zatrzymanego w cieczy (zarówno w strefie wznoszenia, jak i opadania), zwiększa się prędkość cieczy w strefie wznoszenia i opadania oraz skraca się czas mieszania.

3...