Distribuciones de tamaño de burbuja y áreas interfaciales en un reactor jetloop para catálisis multifase

Distribuciones de tamaño de burbuja y áreas interfaciales en un reactor jetloop para catálisis multifase

Resumen

Los reactores Jetloop muestran propiedades específicas, como la mezcla intensiva y la dispersión efectiva de gases, lo que los convierte en una alternativa interesante para los conceptos convencionales de reactores en catálisis multifase homogénea. Esta contribución investiga el efecto de la entrada de potencia específica y los aditivos comunes en la catálisis multifásica en las distribuciones de tamaño de burbuja en el tubo de aspiración y la sección ascendente de un reactor jetloop a escala de miniplanta y aclara la coalescencia durante la circulación. Finalmente, se calculan las áreas interfaciales y se comparan con los reactores estándar.

Introducción

Los reactores Jetloop se utilizan para una variedad de diferentes procesos químicos y bioquímicos, así como para el tratamiento de aguas residuales, en el que tienen lugar reacciones de gas-líquido o reacciones con sólidos en suspensión. Sus excelentes propiedades de transferencia de masa y la eficiencia en la dispersión de fluidos, el aporte de energía comparativamente bajo y la facilidad de construcción los convierten en una alternativa interesante y cada vez más importante a los conceptos de reactores estándar (Schügerl, 1980; Gavrilescu y Macoveanu, 1999; Stitt, 2002).

La mezcla y la inducción de gas en estos reactores se logra mediante un flujo de chorro líquido. El líquido pasa por una boquilla con alta velocidad y aspira el gas dispersándolo en burbujas finas. Este chorro de gas y líquido de alta velocidad ingresa al reactor a través de un tubo de aspiración concéntrico e induce una circulación interna que se incrementa aún más por las burbujas de gas ascendentes en la sección ascendente. De este modo, se aumenta la retención de gas, lo que puede ser un beneficio para los sistemas bifásicos con alta conversión de gas y para reacciones limitadas por transferencia de masa (Zehner y col., 2000, Zehner y col., 2001).

En estudios anteriores describimos la influencia de los parámetros geométricos en las propiedades hidrodinámicas, la distribución del tiempo de residencia y la mezcla en un reactor jetloop a escala miniplanta con un volumen de reacción de 1 L (Behr et al., 2008).

Para su uso en catálisis homogénea multifase, un área interfacial suficiente es crucial para permitir la reacción bajo control cinético sin limitaciones de transferencia de masa. Por lo tanto, realizamos mediciones de distribuciones de tamaño de burbuja en diferentes posiciones del tubo de aspiración y la sección ascendente. Además, examinamos la influencia de diferentes aditivos comunes en la catálisis multifásica en los diámetros medios de burbuja. Finalmente, se determinaron las áreas interfaciales y se compararon con los tipos de reactores comunes.

2. Configuración experimental

La configuración experimental se muestra en la Fig. 1. El reactor consiste en un cuerpo cuadrado de plexiglás de 5 × 5 cm de altura de 55 cm, un tubo de aspiración (2) y una placa de impacto (3) dispuesta concéntricamente con una distancia de 2,1 cm entre cada uno. otro. La boquilla (1) se encuentra en la parte superior del reactor directamente encima del tubo de aspiración. Una contención en la sección del tubo ascendente (4) llena de agua permite tomar imágenes directamente desde el chorro en el tubo de aspiración (6). Las imágenes de la sección ascendente se tomaron directamente desde el exterior del reactor (5). Se usó una escala milimétrica unida al reactor para determinar los tamaños de burbuja. Aunque los métodos fotográficos se limitan a las burbujas cerca de la pared del vaso, dan una impresión precisa de las distribuciones locales del tamaño de la burbuja. Sin embargo, el procesamiento posterior de las imágenes puede generar errores de hasta el 10% del diámetro de la burbuja. Los métodos más precisos son revisados por Boyer et al. (2002) y Joshi et al. (1990).

[pic 1]

Fig. 1. Sección transversal del reactor para grabación de cámara de alta velocidad ((1) boquilla de chorro; (2) tubo de aspiración; (3) placa de impacto; (4) contención; planos de proyección: (5) sección de elevación, (6) tubo de aspiración).

Todos los experimentos se realizaron con agua y aire desmineralizados. Las imágenes se tomaron con una cámara de alta velocidad (LaVision 100k) a 10,000 imágenes / s durante 0.3 s. Todas las posiciones de observación yDT se dan en relación con el extremo inferior del tubo de aspiración. El control de la cámara y la grabación de las imágenes se realizó mediante el software DaVis 7.2. Para la determinación del tamaño de las burbujas, las secuencias de imágenes se procesaron y analizaron adicionalmente utilizando la herramienta gratuita ImageJ. Para distribuciones del tamaño de burbuja, se examinaron un mínimo de 100 burbujas.

La influencia de los parámetros del reactor geométrico y el funcionamiento de la boquilla en las propiedades hidrodinámicas ya se examinaron en estudios anteriores (Behr et al., 2008).

3. Resultados y discusión

3.1. Operación de la boquilla

Para ilustrar la formación de las burbujas en la boquilla, la figura 2 muestra un marco de tiempo de 75 ms en una posición justo debajo de la salida de gas en entradas de potencia específicas constantes P / V. La entrada de potencia P se calculó utilizando la ecuación. (1)

[pic 2]

mientras que el diámetro de la boquilla libre dn se calculó por la ecuación. (2)

[pic 3]

El líquido pasa el tubo de succión de gas dispuesto concéntricamente de la boquilla a través de un espacio anular mientras el vacío inducido forma un cono de gas (Fig. 2a y b). Al final de este cono, se cortan pequeñas burbujas de gas y se dispersan en el líquido (Fig. 2c-f). Además, las burbujas de gas más grandes que ingresan al tubo de aspiración desde la sección ascendente (véase la flecha, Fig. 2) se introducen en el chorro y se dispersan en burbujas más pequeñas.

[pic 4]

Fig. 2. Formación de burbujas en la boquilla (P / V = 1.1 kW / m3, ta − f = 75 ms).

3.2. Dependencia de la entrada de potencia específica en el tamaño de la burbuja.

Como resultado del mecanismo específico de formación de burbujas en la boquilla, el tamaño de la burbuja resultante depende de las velocidades del líquido y la turbulencia resultante en el chorro. Con el aumento de la velocidad del líquido, por un lado, la cantidad total de gas, que es absorbida por la boquilla y dispersada en el líquido, aumenta, pero por otro lado, el tamaño de la burbuja también disminuye (ver Fig. 3).

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