Vorteks mikserler: Gaz ve gaz-katı karışma için yeni stratejiler
Vortex mixers: New strategies for gas and gas solid mixing
- Tez No: 766840
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERTUĞRUL ERKOÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 271
Özet
Endüstriyel açıdan önemli kimyasal reaksiyonların çoğu gazların tek başına veya katı katalizör partikülleri varlığında karışmasını içermektedir. Katalizör aktivitesine ek olarak, reaktörün performansı akış hidrodinamiklerine bağlıdır. Reaksiyonun verimliliği ve güvenliği açısından verimli karışmanın elde edilmesi de çok önemlidir. Gazların hızlı karışmasının gerekli olduğu tek faz endüstriyel reaktörler verimsiz karışmadan kötü etkilenirken, akışkan yatak reaktörler sıcak nokta oluşumu ve düşük verimliliğe sebep olan kanallaşma veya kümeleşme gibi homojen olmayan akış rejimlerinden kötü etkilenmektedir. İki veya daha fazla teğetsel zıt jet ve silindirik bir karışma çemberinden oluşan vorteks mikserler, jetlerin yakınında oluşan dönen vorteks hareketi ve hortum benzeri bir eksen etrafında dönen akışla karakterize edilmektedir. Bu reaktörler ile hem tek faz hem de çok fazlı akışlarda hızlı ve verimli karışma sağlanabilmektedir. Bu tez kapsamında vorteks mikserdeki gaz akış hidrodinamikleri ve gaz-katı akış hidrodinamikleri iki bölümde çalışılmıştır. İlk bölümde, sunulan vorteks mikserde gazların akış hidrodinamiği, akış görüntüleme ve parçacık görüntülemeli hız ölçüm (PIV) tekniği kullanılarak Reynolds (𝑅𝑒) sayısı 20'den 280'e kadar olan bölgesi için araştırılmıştır. Teğetsel jetlerden gönderilen iki gaz akışının akış rejimi geçişleri, akışın kritik 𝑅𝑒 sayısının belirlenmesi ile analiz edilmiştir. Metan gazı kullanılarak gerçekleştirilen gaz akış hidrodinamiği deneylerinde girdap hareketi 𝑅𝑒 = 70'te, akıştaki düzensiz hareketler ise 𝑅𝑒 = 230 civarlarında oluşmaktadır. Bu bölgeye kadar, çember içerisindeki gaz karışma hidrodinamiği difüzyon mekanizması kontrollüdür. 𝑅𝑒 = 230'dan sonra kararsız yutulma akış rejimi oluşmakta ve taşınım (konveksiyon) mekanizması moleküler difüzyonu bastırmaktadır. Gazların fiziksel özelliklerinin akış hidrodinamiği ve kararsızlığın başlangıcı üzerindeki etkisini değerlendirmek için, viskozite ve yoğunluk farklılıklarından dolayı hidrojen, azot ve argon gazları seçilmiştir. Gazların çember içinde tam bir dönüş yaptığı akışın ilk kritik noktasının dinamik basınç olarak da tanımlanabilen atalet kuvvetlerine bağlı olduğu bulunmuştur. En yüksek kinematik viskoziteye sahip hidrojen akışı 𝑅𝑒 = 40'ta, azot ve argon gazları ise 𝑅𝑒 = 70'te tam dönüş hareketi göstermektedir. Bu noktalardan sonra, merkezkaç ve merkezcil kuvvetler arasındaki dengenin sonucu olarak sürekli halde bir dönen akış oluşumu gözlemlenmiştir. Benzer şekilde, kararsız yutulma rejiminin başlangıcı hidrojen akışı için 𝑅𝑒 = 150'de, azot için 𝑅𝑒 = 200'de ve argon için 𝑅𝑒 = 220'de oluşmuştur. Bu çalışma, gaz özelliklerinin sadece kritik noktalarda değil, aynı zamanda vorteks mikserde oluşan girdaplı akış modelinin şekli üzerinde de etkili parametreler olduğunu göstermektedir. Farklı gazların gaz akış hidrodinamiği, farklı 𝑅𝑒 sayılarında argon ile farklı gazların - hidrojen ve azotun- karışmasını, her bir jeti farklı bir gazla besleyerek araştırılmıştır. Akışın ilk kritik noktası Ar/H2 ve Ar/N2 akışları için aynı 𝑅𝑒 sayılarında (𝑅𝑒 ≅ 70) gözlenirken, ikinci kritik nokta Ar/H2 akışı için 𝑅𝑒 ≅ 120'de, Ar/N2 akışı için 𝑅𝑒 ≅ xxi 190'da bulunmuştur. Artan 𝑅𝑒 sayısı ile akışkan partikülleri arasındaki artan kayma gerilimi nedeniyle taşınım mekanizması difüzyon mekanizmasının üstesinden gelmeye başlamaktadır. Hidrojen daha yüksek gaz hızına ve dolayısıyla aynı 𝑅𝑒 sayısında azot gazından daha yüksek bir kayma gerilimine sahip olduğundan, Ar/H2 akışının kritik 𝑅𝑒 sayısının Ar/N2 akışından daha düşük olduğu bulunmuştur. Tezin ikinci ve son bölümünde, daha iyi bir performans elde etmek adına akışkan yatak için yeni bir kavramsal yaklaşım tanıtılmış ve gaz-katı akış hidrodinamiği incelenmiştir. Geleneksel akışkan yataklarda, katılar sürekli fazda iken gazlar ise dağıtılmış fazdır. Bu konseptte gaz fazının sürekli faz ve katıların dağılmış faz olduğu homojen katı ve gaz karışımı sağlayan bir akış rejimi elde edilmesi ile akışkan yatak performansının iyileştirmesi amaçlanmıştır. Bu nedenle gaz-katı hidrodinamiği, değişen jet ve çember çapı oranlarına sahip vorteks mikserlerde değişen yoğunluk ve boyutlardaki partiküller kullanılarak çalışılmıştır. Çalışma, hızlı kameranın kullanıldığı akış görüntüleme ile jetler ve çember boyunca fark basınç sensörleri kullanılarak kaydedilen anlık basınç değerleri ile gerçekleştirilmiştir. Akış görüntüleme deneylerine göre belirlenen minimum akışkanlaşma 𝑅𝑒 sayıları basınç düşüşü analizi sonuçları ile aynı bulunmuştur. Katı dağılımının en optimum olduğu 𝑅𝑒 aralıklarının (Remf ve Ret aralığı) fark basınç transdüserleri kullanılarak belirlenebileceği gösterilmiştir. Basınç analizi deneylerinin bu reaktörlerde uygulanabilir olması ile akışkanlaşmanın görüntülenebilir olmadığı endüstriyel sistemlerde basınç değerlerine göre akışkanlaşma rejimlerinin belirlenebileceği doğrulanmıştır. Ayrıca boyut, yoğunluk ve porozitenin gaz-katı akış hidrodinamikleri üzerinde kompleks etkileri olduğu gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Many industrially important chemical reactions involve mixing of gases alone or in the presence of solid catalysts. Apart from the catalyst activity, the performance of the reactor directly depends on the hydrodynamics of the reactor and efficient mixing is crucial for the safety and yield of the operation. While single phase industrial reactors suffer from poor mixing where rapid mixing of gases are necassary, fluidized bed reactors suffer from non-homogeneous flow regimes such as channelling and slugging which results in formation of hot spots and low yield. Vortex mixers, consisting of a cylindrical chamber connected by two or more tangentially opposed jets, create swirling vortex patterns near the jets, characterized by flow which rotates along an axis, like a tornado can deliver rapid and efficient mixing both in single and multiphase flows. In the scope of this thesis, gas phase flow hydrodynamics, and gas-solid flow hydrodynamics in vortex mixers were studied in two parts. In the first part, flow hydrodynamics of gases in the proposed vortex mixer was explored by utilizing flow visualization and particle image velocimetry (PIV) techniques for 𝑅𝑒 numbers from 𝑅𝑒 = 20 to 280. The detection of the critical 𝑅𝑒 number of flow where both jets fed the same gas, was performed to analyse the flow regime transitions of two gas streams coming from two tangential jets. Results demonstrate that methane flow started to swirl around 𝑅𝑒 = 70, and the instabilities in the flow started around 𝑅𝑒 = 230, below which, gas-flow hydrodynamics was diffusion controlled. Beyond 𝑅𝑒 = 230, unsteady engulfment flow regime occurs and convection dominates the diffusion. To examine the influence of physical parameters on gas-flow hydrodynamics, three gases, namely; hydrogen, nitrogen, and argon were selected due to the viscosity and density differences they offer. The initial critical point of flow, where gases rotate completely in the chamber, is affected by the inertial force in terms of dynamic pressure. While hydrogen had the greatest kinematic viscosity and completed a full rotation at 𝑅𝑒 = 40, nitrogen and argon completed a full turn at 𝑅𝑒 = 70. Following these, continuous rotating flow was observed due to the equilibrium between centrifugal and centripetal forces. Similarly, the formation of engulfment regime was detected earlier for hydrogen, at 𝑅𝑒 = 150, than for nitrogen at 𝑅𝑒 = 200 and argon at 𝑅𝑒 = 220. Gas properties were found to have an influence not only on critical points but also on the shape of the swirling flow pattern. The gas-flow hydrodynamics of different gases, hydrogen, and nitrogen, with argon at various 𝑅𝑒 numbers was also investigated by feeding each jet with a different gas. While the first critical point was found to be at the same 𝑅𝑒 number (𝑅𝑒 = 70) for both Ar/H2 and Ar/N2, the second critical point was discovered to be at 𝑅𝑒 = 120 for Ar/H2 and 𝑅𝑒 = 190 for Ar/N2. Because of the increasing shear stress between fluid particles, the convection dominates diffusion as 𝑅𝑒 number increases. Because xxiii hydrogen has a faster gas velocity and consequently a larger shear stress than nitrogen at the same 𝑅𝑒 number, the critical 𝑅𝑒 number of the Ar/H2 flow was discovered to be lower than the critical 𝑅𝑒 number of the Ar/N2 flow. In the second and final section of the thesis, for a better performance,a new conceptual approach for a fluidized bed were introduced and its hydrodynamics were studied. In classical fluidized beds, solids are the continous phase and the gas is the distributed phase. In this concept, to improve the performance of the fluidized bed by having a flow regime providing homogeneous mixture of solids and gases, where the gas phase is the continuous phase and the solids are the distributed phase is aimed. For this reason, gas-solid hydrodynamics of particles with varying densities and sizes in vortex mixers with varying jet and chamber diameter ratios were examined. The study was performed by visual experiments using a fast camera, and by instantenous pressure values recorded using differential pressure transducers along the jets and the chamber. The minimum fluidization 𝑅𝑒 numbers determined from the flow visulaization study were found to be the same with the results obtained from pressure analysis study. The optimum operation flow regime where solids are distributed homogeneously (between Remf and Ret) can be determined online using the differential pressure transducers for the proposed vortex mixer. The implementation of pressure analysis in these rectors supported the fact that fluidization regimes and hydrodynamics may be monitored and controlled based on pressure signals in industrial systems where fluidization is not visible. Furthermore, it was discovered that particle size, density, and porosity all have complicated effects on gas-solid hydrodynamics.
Benzer Tezler
- Vorteks yöntemiyle üretilen partikül takviyeli alüminyum matriksli kompozit malzemenin mikroyapısal karakterizasyonu ve ısıl işlemleri
Başlık çevirisi yok
EBRU KARAGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜZEYYEN MARŞOĞLU
- Karşıt akışlı konik vorteks tüp karakteristiklerinin incelenmesi
Investigation of counterflow divergent vortex tube characteristics
YİĞİT SERKAN ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Makine MühendisliğiGümüşhane ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. KEMAL KUVVET
- Yüksek enerji ayrıştırma etkisine sahip karşıt akışlı ranque-hilsch vorteks tüpü tasarımı geliştirilmesi ve bilgisayar destekli optimizasyonu
Improving counter – flow ranque – hilsch vortex tube design with high energy separation effect and its computer aided optimization
HASAN MELİH KINAGU
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
EnerjiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET ÖZGÜN KORUKÇU
- An experimental investigation of vortex tube performance characteristics
Vorteks tüpünün performans özelliklerine deneysel bir inceleme
YAKUB TÜFEKCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Makine MühendisliğiYeditepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NAMIK ÇIBLAK
- Ranque-Hilsch vorteks tüpünde enerji ayrışmasının deneysel ve termodinamik incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of energy separation in Ranque-Hilsch vortex tube
BURAK MARKAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN AYDIN