Samo-rotirajući impeleri u airlift reaktoru sa spoljašnjom recirkulacijom

Abstract

Cilj doktorske disertacije je poboljšanje hidrodinamičkih i masenoprenosnih karakteristika airlift reaktora sa spoljašnjom recirkulacijom umetanjem samo-rotirajućih impelera u uzlaznu cev. Uticaj ugradnje samo-rotirajućih impelera na osnovne hidrodinamičke i masenoprenosne osobine ispitivan je pri radu sa različitim tečnostima i distributorima gasa. Rezultati su tumačeni poređenjem vrednosti za sadržaj gasa u uzlaznoj cevi, za brzinu tečnosti u silaznoj cevi, i za zapreminski koeficijent prenosa mase, dobijenih za dve konfiguracije reaktora (sa i bez impelera). Rezultati disertacije ukazuju da ugradnja samo-rotirajućih impelera dovodi do znatnog razbijanja mehurova i smanjenja srednjeg prečnika mehurova gasa, naročito u viskoznim rastvorima karboksimetilceluloze. Prividna brzina gasa, vrsta tečne faze i tip distributora gasa u velikoj meri utiču na efikasnost samo-rotirajućih impelera. Dobijene vrednosti sadržaja gasa u uzlaznoj cevi su do 47% veće u konfiguraciji sa impelerima u odnosu na konfiguraciju bez impelera. Iako samo-rotirajući impeleri predstavljaju dodatni otpor proticanju tečnosti, njihovom ugradnjom je u svim ispitivanim sistemima postignuto relativno malo smanjenje brzine tečnosti (oko 10%). Zahvaljujući impelerima, zapreminski koeficijent prenosa mase uvećan je do 82% pri manjim protocima gasa. Pri većim protocima, koji odgovaraju uslovima rada koji se sreću u većini fermentacionih procesa, postignute su oko 20-30% veće vrednosti zapreminskog koeficijenta prenosa mase. Pored empirijskih modela, u ovom radu uspešno su razvijeni i modeli veštačkih neuronskih mreža kojim se predviđaju sadržaj gasa u uzlaznoj cevi, brzina tečnosti i zapreminski koeficijent prenosa mase za obe konfiguracije airlift reaktora sa spoljašnjom recirkulacijom.

The aim of this study was intensification of hydrodynamic and mass transfer properties of external-loop airlift reactor by means of self-agitated impellers mounted in the riser section. The influence of impellers’ insertion on the main hydrodynamic and mass transfer characteristics was investigated for various liquid phases and sparger types. The values of riser gas holdup, downcomer liquid velocity and volumetric mass transfer coefficient obtained in configurations with and without impellers were compared. Results showed that the installment of self-agitated impellers led to a significant bubble breakage and decrease of bubble size, especially in viscous carboxymethylcellulose solutions. The efficiency of self-agitated impellers was immensely influenced by superficial gas velocity, liquid phase, and distributor type. Obtained riser gas holdup values were up to 47% higher in the configuration with impellers, in comparison to the configuration wthout impellers. Despite the fact that self-agitated impellers represented an obstacle to liquid flow, relatively low reduction of downcomer liquid velocity was attained (about 10%). Furthermore, the insertion of impellers induced up to 82% higher values of volumetric mass transfer coefficient at lower superficial gas velocities. At higher superficial gas velocities, i.e. conditions mainly operated in various fermentation processes, about 20-30% higher values of volumetric mass transfer coefficient were achieved with impellers. In addition to empirical correlations, artificial neural network models were sucessfully developed to predict riser gas holdup, downcomer liquid velocity and volumetric mass transfer coefficient in both external-loop airlift configurations.