CDC Reaktöründe Gaz Tutuş Kesri, Kütle Transferi ve Akışkanların Hidrodinamik Özelliklerinin İncelenmesi

Transkript

1 Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Der. Science and Eng. J of Fırat Univ. 18 (1), -103, (1), -103, 2006 CDC Reaktöründe Gaz Tutuş Kesri, Kütle Transferi ve Akışkanların Hidrodinamik Özelliklerinin İncelenmesi Ramazan ORHAN ve Gülbeyi DURSUN Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fak., Kimya Müh. Bölümü, 2327 Elazığ rorhan@firat.edu.tr Özet: Aşağı Doğru Birlikte Akışlı Temas Reaktörü (CDCR) özellikle sıvı fazdaki kütle transfer verimini arttırmasından dolayı, diğer klasik gaz-sıvı temas edicilere göre birtakım avantajlar sağlamaktadır. Bu nedenle bu çalışmada CDCR kullanarak gaz fazdan sıvı faza oksijen transferi araştırıldı. Aşağı doğru birlikte akışlı temas reaktörünün kütle transfer özellikleri ve hidrodinamik davranışları, iki farklı orifis çapında (2 ve 3 mm) farklı sıvılar için çalışıldı. Hacimsel kütle transfer katsayısı (k L a) ve gaz tutuş kesri değerleri her orifis çapı için sıvı ve gaz akış hızları artışıyla arttı. Hava-su sisteminde elde edilen k L a ve gaz tutuş kesri değerleri hem hava-% 0.5 gliserin hem de hava-% 0.5 glikoz sistemindeki değerlerden daha yüksek bulundu. Anahtar Kelimeler : Aşağı doğru birlikte akış, Kütle transferi, Gaz tutuş kesri. Investigation of Gas Holdup, Mass Transfer and Hydrodynamic Characteristics of Fluids in Cocurrent Downflow Contacting Reactor (CDCR) Abstract: A Co-current Downflow Contacting Reactor (CDCR) has some advantages compared to conventional gas-liquid contactor, since it increases the efficiency of mass transfer in the liquid phase. Therefore in this study, the transfer of oxygen from gas phase to the liquid phase was investigated by using CDCR. Hydrodinamic conditions and mass transfer characteristics of the co-current downflow contacting reactor were studied for different liquids and varied concentrations of glycerol for 2 and 3 mm orifice diameter. Volumetric mass transfer coefficient (k L a) and gas holdup values were increased with increasing liquid and gas flow rates for each orifice diameter. Gas holdup and k L a values determined for air-water system were higher than the values of both air-%0.5 glycerol and air-%0.5 glucose. Key words: Co-current downflow, Mass transfer, Gas holdup. Bu çalışma Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma rojeleri Birimi tarafından FÜBA-425 nolu proje olarak desteklenmiştir.

2 R.Orhan ve G. Dursun 1.Giriş Gaz-sıvı veya gaz-sıvı-katı gibi sistemlerde kütle aktarımı ve bunların endüstride kullanımı gittikçe artan bir öneme sahip olmaktadır. Bu tip prosesler teknolojik ve biyoteknolojik alanlarda sıkça kullanılmaktadır. İki (gaz-sıvı) veya üç fazlı (gaz-sıvı-katı) sistemlerde seçiciliğin ve kütle aktarımının etkin olduğu hidrojenasyon, oksidasyon ve fermantasyon reaksiyonlarında oksijen ve hidrojen gibi gazların transferinde uygulama alanı bulmaya çalışan yeni bir reaktör tipi de aşağı doğru birlikte akışlı temas reaktörleridir (co-current downflow contacting reactor, CDCR) [1,2]. CDCR sisteminde sürekli ve dispers fazlar bir orifisden geçerek kolona birlikte beslenir. Kolon girişinden başlayarak aşağı doğru sürekli faz genişlerken kinetik enerjisinin bir kısmı sıvıya aktarılır. Böylece sıvı-kabarcık ara yüzeyinde oluşan yoğun türbülans ve kayma etkilerinin sonucu kütle transferi gerçekleşir ve çok kısa sürede sıvı doygunluğa ulaşır. Klasik gaz-sıvı temas sistemlerine göre CDCR sistemi tasarım ve işletme kolaylığı, verimli gaz kullanımı ve kütle transferi, yüksek spesifik gaz-sıvı ara yüzey alanı ve % 60 a ulaşan gaz tutuş kesri gibi bazı avantajlara sahiptir [3]. Bu çalışmada aşağı doğru birlikte akışlı temas reaktörü ile farklı gaz ve sıvı akış hızlarında, farklı sıvıların kütle transferinin ve hidrodinamik özelliklerinin bulunması incelenmiştir. 2.Materyal ve Metot Hava-su ve farklı gaz-sıvı (hava- glikoz veya gliserin çözeltisi) ortamı CDCR da kullanılarak bunların hidrodinamik davranışının ve kütle transfer özelliklerinin belirlendiği çalışmalar 0.05 m iç çapında ve 0.8 m yüksekliğindeki bir cam kolonda gerçekleştirilmiştir. Cam kolon üzerinde sıvı ve gaz fazın birlikte beslendiği bir orifis, sıvı sirkülasyonu için pompa, sıvı ve gaz akış hızını ayarlamada kullanılan rotametre ve vanalar, basınç göstergeleri ve sıvı tankı sistemin başlıca elemanlarıdır ( Şekil 1 ) DO Şekil 1. CDCR Deney Sistemi. (1) Kolon, (2) Hava çıkışı, (3) Resirkülasyon pompası, (4) Sıvı akış ölçer, (5) Hava akış ölçer, (6) Çözünmüş oksijen probu, (7) Sıvı boşaltımı, (8) Örnek nokta, () Basınç göstergesi,(10) Depolama tankı, (11) Hava filtresi, (12) Hava girişi, (13) Isılçift, (14) Orifis. Ortamdaki çözünmüş oksijen derişimleri polarografik tip oksijen elektrodu kullanılarak, hacimsel kütle transfer katsayısı (k L a) dinamik metodla belirlenmiş, gaz tutuş kesri ise kolonun alt ve üst kısımlarına monte edilmiş cam kolondan sıvı yüksekliği izlenerek tayin edilmiştir. Gaz faz olarak hava, çözünmüş oksijen derişimini sıfırlamak için de azot gazı kullanılmıştır. Hava-su sistemi için yapılan çalışmalarda kolonun tepesindeki T bağlantı elamanına 3 mm lik orifis monte edilerek m 3 hacmindeki tank musluk suyu ile doldurulduktan sonra su sirkülasyon pompası ile sürekli olarak sisteme verilmiştir. Sabit sıvı akış hızında (1.5 l/dak) sisteme 30 cm 3 /dak hızla hava beslenerek çözünmüş oksijen metrede meydana gelen değişim 15 s aralıklarla, sudaki çözünmüş oksijenin doygunluk değerine kadar yapılmıştır. Azot gazı ile oksijen giderilmiş ve aynı sıvı akış hızı için farklı gaz akış hızlarıyla hava

3 CDC Reaktöründe Gaz Tutuş Kesri, Kütle Transferi ve Akışkanların Hidrodinamik Özelliklerinin İncelenmesi beslenerek ölçümler gerçekleştirilmiştir. Bu işlemler farklı sıvı akış hızı içinde tekrarlanarak çözünmüş oksijen derişimleri tespit edilmiştir. Hava-musluk suyu sistemi için uygulanan işlemler % 0.5 gliserin ve % 0.5 glikoz çözeltisi içinde aynen tekrarlanmıştır. Gaz tutuş kesri ise kolonun alt ve üst kısmına tutturulmuş dar cam kolondan sıvı yüksekliği izlenerek tayin edilmiştir. 3.Sonuçlar CDCR sisteminin hidrodinamik performansını değerlendirmek için farklı hava ve su akış hızları kullanılmıştır. Sistemde kullanılan akışkanların fiziksel özellikleri ile işletme değişkenleri Tablo 1 de sunulmuştur. Gaz tutuş kesri kabarcık kolon sistemlerinin tasarımında taşınım olaylarını karakterize eden boyutsuz bir parametredir ve genellikle gaz kabarcıkları tarafından meydana gelen gaz fazın hacim kesri olarak tanımlanır. Bu nedenle kabarcık kolonların analizinde ve dinamiğinde önemli bir rol oynar. Çizgisel gaz hızı, sıvının fiziksel özellikleri, kolonun boyutu, çalışma sıcaklığı ve basıncı ve gaz dağıtıcının tasarımı hacim kesrine etki eden temel faktörlerdir[4]. Gaz-sıvı dispersiyonlarını karakterize eden önemli faktörlerden biri olan gaz tutuş kesri (Gas holdup) gazın kalış süresini etkilediği gibi dolaylı olarak ara yüzey alanı ile de ilişkili bir parametredir [5]. Ayrıca gaz tutuş kesri yüzey enerjinin ölçüsü olan yüzey gerilimine de bağlıdır. 2 ve 3 mm lik orifisler kullanılarak su ile yapılan çalışmalarda zamanla gaz tutuş kesri değerleri Şekil 2 ve 3 de verilmiştir. Şekil 2. 2 mm lik orifis için zamanla gaz tutuş kesrinin değişimi (Sıvı akış hızı, l/dk: x 3.5, 3.0, 2.5, 2.0, 1.5) Şekil 3. 3 mm lik orifis için zamanla gaz tutuş kesrinin değişimi (Sıvı akış hızı,l/dk: x 3.5, 3.0, 2.5, 2.0, 1.5) Tablo 1. Çalışılan deneysel şartlar (D c =0.05m, T=25 o C ) Sistem ρ µ c D o F G F L U G U L G/L (g/ml) (ma.s) (bar) (mm) (ml/dak) (L/dak) (m/sa) (m/sa) (hac./hac.) Hava-su Hava-%0.5 gliserin Hava-%0.5 glikoz

4 R.Orhan ve G. Dursun Şekil 2 ve 3 de görüldüğü gibi zamanla gaz tutuş kesri değerleri artış göstermekte ve düşük sıvı akış hızlarında tutulan gaz miktarı az olduğundan bu değerlerin daha düşük, sıvı akış hızı artışıyla da daha yüksek olduğu görülmektedir. Ayrıca kullanılan 2 mm lik orifisde elde edilen gaz tutuş kesri değerlerinin 3 mm lik orifis kullanılarak elde edilen değerlerden daha yüksek olduğu bu durumun ise 2 mm lik orifiste meydana gelen jet akış sayesinde dispersiyon yüksekliğinin daha fazla olması ve tutulan gaz miktarının fazlalığından kaynaklanmaktadır. Farklı gaz akış hızlarında, k L a nın sıvı hızları ile değişimi hava-su, hava-%0.5 gliserin ve hava-%0.5 glikoz sistemi için sırasıyla Şekil 4-6 da verilmiştir. Hava-su ve hava-%0.5 gliserin sistemi için şekilden de görüldüğü gibi, k L a sıvı hızının 3.5 l/dak değerine kadar bir artış göstermektedir. Yüksek sıvı akış hızlarında kabarcıkların birleşerek büyük kabarcıkları oluşturma eğilimlerinin azalması özellikle çok küçük kabarcık oluşturan sistemlerde kabarcıkların alttan kolonu terk etme eğilimleri artmaya başladığından ve temas sürelerinin azalmaya başlaması ile k L a değerlerinde azalma eğilimi görülmektedir. Hava-%0.5 glikoz sisteminde ise sıvı akış hızının 3.0 l/dak değerine kadar bir artış gözlenmekte daha yüksek sıvı akış hızlarında ise azalmaya başlamaktadır. Hava- %0.5 glikoz sisteminde yoğunluk artışından dolayı kabarcıkların birleşme eğilimi daha azdır ve hava-su sistemine göre daha küçük kabarcıklar oluştuğundan k L a değerleri sıvının yoğunluğu ve viskozitesine bağlı olarak havasu ve hava-%0.5 gliserin sisteminde elde edilen değerlerden de daha düşük bir değere ulaşmıştır. Viskozite, yoğunluk, çizgisel gaz ve sıvı hızı gibi hidrodinamik koşullar kabarcık boyutunu ve küçük kabarcıkların birleşme eğilimini etkilemektedir [1,3]. Kullanılan üç farklı sıvı için k L a nın çizgisel gaz hızı ile değişimi Şekil 7 de verilmektedir. Hava-%0.5 gliserin ve hava-%0.5 glikoz sisteminin k L a değerleri hava-su sisteminin k L a değerlerine kıyasla daha küçük olarak bulunmuştur. Genellikle saf sıvıların karışım halindeki sıvılara göre yüzey kuvvetleri farklı Şekil 4. Sıvı sirkülasyon hızının kütle transfer katsayısı üzerine etkisi: Hava-su sistemi ve 3 mm lik orifis ( Gaz akış hızı, cm 3 /dak : 30, 40, 50, 60, 70) Şekil 5. Sıvı sirkülasyon hızının kütle transfer katsayısı üzerine etkisi: Hava-% 0.5 gliserin ve 3 mm lik orifis (Gaz akış hızı,cm 3 /dak : 30, 40, 50, 60, 70) olduğundan, karışımların k L a yı azaltıcı yönde etkilediği görülmektedir. Çünkü karışım halinde sıvıda oluşan kabarcıklar göreceli olarak saf sıvıda oluşan kabarcıklara göre çok daha küçük boyutta oluşmakta ve k L değerini azaltmaktadır. Bu tip sistemlerde büyük kabarcıkların kütle transferine katkısı küçük kabarcıklara göre daha yüksek olduğundan ve hacimsel kütle transfer katsayısındaki k L değerinin saf sıvılarda fazla olması nedeniyle hava-su sisteminin k L a değerleri daha büyüktür. 102

5 CDC Reaktöründe Gaz Tutuş Kesri, Kütle Transferi ve Akışkanların Hidrodinamik Özelliklerinin İncelenmesi 4. Kaynaklar Şekil 6. Sıvı sirkülasyon hızının kütle transfer katsayısı üzerine etkisi: Hava-% 0.5 glikoz ve 3 mm lik orifis ( Gaz akış hızı, cm 3 /dak : 30, 40, 50, 60, 70) k L a (saat -1 ) Deckwer, W.D. (185). Bubble Column Reactors, In Biotechnology, eds H.J. Rehm and G. Reed.VCH ublication,2, Dursun, G., Özer, A., Elibol, M. and Özer, D. (1). Mass Transfer Characteristics of a Fermentation Broth in a Reactor: Co-curent Downflow Contacting Reactor, rocess Biochemistry, 34, Lu, X.X., Boyes, A.. and Winterbottom, J.M. (14). Operating and Hydrodynamic Characteristics of a Co-current Downflow Bubble Column Reactor, Chem. Eng. Sci., 41, Kantarcı, N., Borak, F. Ve Ulgen, K.O. (2005). Bubble Column Reactors, rocess Biochemistry, 40, Shah, Y.T., Kulkarni, A.A., Weilan, J.H., Carr, N.L. (183). Gas Holdup in Two and Threehase Down Flow Bubble Columns, Chem. Eng. J., 26, Öztürk, S.S., Schumpe, A., Deckvver, W.D. (187). "Organic Liquids in a Bubble Column: Holdups and Mass Transfer Coefficients", AIChE Journal, 33(), Şekil 7. k L a nın çizgisel gaz hızı ile değişimi ( hava-su, hava-%0.5 gliserin, hava-%0.5 glikoz) Semboller D c D o F G F L Çizgisel Gaz Hızı (m/saat) : Kolon çapı (m) : Orifis çapı (mm) : Gaz akış hızı (ml/dak) : Sıvı akış hızı(l/dak) G/L : Gaz-sıvı akış oranı (hacim/hacim) c : Gösterge basıncı (bar) U G : Çizgisel gaz akış hızı U L : Sıvı kolon hızı ρ : Yoğunluk (g/ml) µ : Viskozite (ma.s) 103