Hydrodynamika vícefázových reaktorů

Abstract

Reaktory s vícefázovými toky jsou široce zastoupeny v mnoha odvětvích nejen chemického průmyslu. Oblastí zájmu předkládané práce je vícefázový probublávaný reaktor s vnitřní cirkulační smyčkou hnanou sací trubicí, označovaný jako Pachuca. Pachuca zpravidla slouží pro loužení kovů z rud a hornin nebo z metalurgických odpadů. Předmětem disertační práce je studium hydrodynamického chování vícefázového toku uvnitř reaktoru se sací trubicí (s vnitřní cirkulační smyčkou). Prvním cílem práce byl návrh a konstrukce laboratorního reaktoru. Při studiu chování dvoufázového toku v laboratorním reaktoru se měřily tlakové diference na sestavených manometrech s obrácenou U-trubicí. Měření byla podle místa odběru interpretována jako základní hydrodynamické parametry: zádrž plynu, hustota disperze, cirkulační rychlost kapaliny a koeficient ztrát. Z experimentů bylo zjištěno, že geometrie sací trubice, vyjádřená poměrem průměru sací trubice k průměru reaktoru (ddf /dc) má zásadní vliv na tyto hydrodynamické parametry. S klesajícím poměrem ddf /dc vzrůstá cirkulační rychlost kapaliny v sací trubici a zároveň klesá zádrž plynu v mezikruží. Dalším zkoumaným parametrem, který ovlivňuje vícefázovou hydrodynamiku, byla poloha sací trubice v reaktoru. Tato poloha je vyjádřena bezrozměrnými vzdálenostmi konců sací trubice od dna a od hladiny. Při experimentech byly rovněž identifikovány typy cirkulačních režimů bublin, které řídí hydrodynamiku uvnitř reaktoru se sací trubicí. Vzhledem k existenci velkého počtu možných nastavitelných proměnných parametrů a časové náročnosti vlastních experimentů, byl navržen jednoduchý numerický model popisující mezní situace při dvoufázovém toku. Pro CFD simulaci byl použit model bublinového toku programu COMSOL Multiphysics. Výsledky experimentů s různými poměry ddf /dc byly srovnány s výsledky CFD simulace. Srovnání přineslo poznatky o možnosti využití tohoto modelu pro hledání optimální geometrie pro třífázový tok. Na základě výsledků studia dvoufázového toku byla navržena vhodná geometrie reaktoru s třífázovým tokem. V reaktoru s třífázovým tokem byl nalezen hysterezní charakter tlakové diference, ze které byly stanoveny kritické průtoky plynu pro suspendaci částic při vzrůstajícím nebo klesajícím průtoku plynu.

The multiphase flow reactors are widely used in the chemical and other process industry. Multiphase flow reactor with internal circulation loop called Pachuca was in focus of interest of my thesis. The Pachuca tank is a typical hydrometallurgical reactor for leaching of ore, other minerals, or metallurgical wastes. Study of hydrodynamic behavior of multiphase flow in reactor with a draft tube (with internal circulation loop) was the main topic of my PhD thesis. Design and construction of laboratory reactor with the draft tube was first aim of my work. The hydrodynamics parameters such as gas hold-up, density of dispersion, liquid circulation velocity and loss coefficient were determined from measured pressure differences. The inverse U-tube manometers were used for the measurement of the pressure differences. The geometry of equipment was characterized by the dimensionless ratio of diameter of the draft tube to the diameter of reactor (ddf /dc). This ratio had a primary influence to the hydrodynamics parameters. Increasing of liquid circulation velocity in the draft tube (riser) simultaneously with gas hold-up in annulus (downcomer) decreasing as a function of decreasing ratio ddf /dc was observed. Position of the draft tube was further parameter, which affected the hydrodynamics of multiphase flow. These positions were characterized by the dimensionless ratio of the draft tube upper end and the liquid level heights, and by the dimensionless ration of the draft tube lower end and the bottom of reactor. Patterns of the bubbles circulation regimes to the hydrodynamic in the laboratory reactor were observed besides of the quantitative parameters. Large number of geometry configurations can be varied and the measurement is time consuming. For these reasons, simple numerical model was suggested. The COMSOL Multiphysics software with bubbly flow model was used for CFD simulation. The results of experiments and results of CFD simulation were compared for three magnitudes of ratio ddf /dc. Agreement between the respective results proved that the numerical simulation is suitable tools for investigation of three-phase flow. Optimized design of three-phase flow reactor was suggested on the base of the results for the two-phase flow. Hysteresis of the pressure difference was found in three-phase flow reactor and then, critical gas volumetric flows for suspended solid particles have been determined for increasing and decreasing gas volumetric flow, respectively.