Investigation of the effect of liquid height and baffle geometry on drawdown of floating solids in stirred tanks
Karıştırma tanklarında, sıvı yüksekliğinin ve engel geometrisinin yüzen katı parçacıkların sıvı içerisine dahil etmeye etkisinin incelenmesi
- Tez No: 903600
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İNCİ AYRANCI TANSIK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: katı parçacıkları sıvı yüzeyinden sıvı içerisine dahil etme, sıvı içerisine dahil etme hızı (Njd), bulut derinliği (CD), tam dağılım hızı (Nfd), Njd hızındaki güç tüketimi (Pjd), Nfd hızındaki güç tüketimi (Pfd), Drawdown of solids, just drawdown speed (Njd), power consumption at Njd (Pjd) Cloud Depth (CD), fully distributed speed (Nfd), power consumption at Nfd (Pfd)
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Katı-sıvı karıştırma operasonlarında, karıştırma tankları endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Karıştırılan tankların geometrisi bu operasyonların akış özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Engel konfigürasyonu ve sıvı yüksekliğinin (H) tank çapına (T) oranı olan en-boy oranı ana geometrik faktörlerdendir. Özellikle etkili bir havalandırma için yeterli hacme ihtiyaç duyulan bir fermentörde (biyoreaktörde) en-boy oranı önemli parametrelerden biridir. Ayrıca engeller karıştırmaya destek olur, böylece kimyasal reaksiyonlarda reaksiyon hızlarını ve ısı transferini artırır. Yüzen parçacıkların sıvı yüzeyinden sıvı içerisine batırılması ile gerçekleşen katı parçacıkların sıvı içerisine dahil edilmesi, karıştırma tanklarında, katı-sıvı karıştırma operasyonlarının ana çalışma alanlarından biridir. Katı parçacıkların sıvı içerisine dahil edilmesi, parçacıkların sıvı yüzeyinde birikmesini önlemek ve kütle transferi ve reaksiyon için katı-sıvı temas alanını maksimuma çıkarmak için kullanılır. Bu tezde, katı parçacıkların dağılımı, katı parçacıkların sıvı içerisine dahil edilmesi ile beraber hesaba katılmaktadır. Katı parçacıkların sıvı içerisine dahil edilmesi ve parçacıkların dağılımı konusunda, engel geometrisine odaklanan önemli çalışmalar vardır, ancak bu çalışmaların hiçbiri sıvı yüksekliğini hesaba katmamıştır. Bu faktörlerin tekil ve beraber olarak analizinin yapılması gerekmektedir. Bu nedenle, ix bu çalışmanın amacı, karıştırma tanklarında yüzen katı maddelerin sıvı içerisine dahil edilmesinde, sıvı yüksekliğinin ve engel geometrisinin etkisinin araştırılmasıdır. Sistemin temel tasarım parametreleri, sıvı yüzeyinde 1-2 saniyeden fazla yüzen parçacık kalmadığını gösteren sıvı içerisine dahil edilme hızı (Njd) ve sıvı yüzeyi ile sıvının içerisinde kümelenmiş parçacık bölgesinin en alçak noktası arasındaki mesafeyi belirten bulut derinliğidir (CD). Bulut derinliğinin sıvı yüksekliğine eşit olduğu durumda, tüm parçacıkların tank boyunca dağıldığı karıştırıcı bıçak hızı tam dağılım hızı (Nfd), yeni bir parametre olarak tanımlanmıştır. Ayrıca Njd'deki güç tüketimi (Pjd) ve Nfd'deki (Pfd) güç tüketimleri ölçülmüştür. Çapı (T) 24 cm olan düz tabanlı pleksi cam karıştırma tankı kullanılmıştır. Deneyler musluk suyunda ve ortam basıncında gerçekleştirilmiştir. Polipropilen granül parçacıklar (PP) kullanılmıştır. Bu parçacıkların boyutları yaklaşık olarak 3 mm x 4 mm x 5 mm kadardır. Deneylerin başlangıcında, sıvı yüksekliğinin tank çapına eşit olduğu (H=T) durumda, parçacıkların katı konsantrasyonu %1 w/w olarak ayarlanmıştır. Daha sonra, sıvı yüksekliği değişirken katı parçacıkların kütlesi sabit tutulmuştur. Batma derinliği (S), sıvı yüzeyinden karıştırıcı bıçağının alt tarafına kadar olan mesafedir ve 8 cm'ye sabitlenmiştir. Tek karıştırıcılı sistem kullanılmıştır. Dört kanatlı 45° yukarı ve aşağı pompalayan eğimli bıçaklı karıştırıcı (PTBU ve PBTD) ve Rushton türbini (RT) 8 cm (D=T/3) ve 12 cm (D= T/2) olmak üzere iki farklı çapta (D) kullanılmıştır. Yüzey engeli (B=5T/24) ve tam engel (B=H) kullanılmıştır. Ayrıca sıvı yüksekliği (H) 4'er cm artırılarak 20 cm'den 40 cm'ye çıkarılmıştır (H=0.83T ila 1.67T). Genel olarak, sıvı yüksekliğinin H=0.83T'den H=1.67T'ye arttırılması, tüm engel tiplerinde ve karıştırıcı bıçak konfigürasyonları için Njd, Pjd ve CD'de hafif bir artışla sonuçlanmıştır. Ayrıca, değişen sıvı yüksekliklerindeki tüm karıştırıcı bıçakları için, karıştırıcı bıçaklarının tam engel ile beraber kullanımı, aynı karıştırcı bıçağının yüzey engeliyle beraber kullanımından daha fazla CD vermiştir. x T/2 çaplı karıştırıcılar, tüm engeller ve sıvı yükseklikleri için, T/3 çaplı karıştırıcılara göre daha düşük Njd ve Pjd değeri vermiştir. Ayrıca, tüm engel ve karıştırcı kombinasyonlarında, tüm sıvı yükseklikleri için, RT-T/2-yüzey tam engel kombinasyonu minimum Njd'ye sahipken, PBTD-T/3 tam engel kombinasyonu en yüksek Njd değerine sahiptir. Tüm engel konfigürasyonları ve T/2 cinsinden karıştırıcı bıçak çapı için, tüm sıvı yükseklikleri için RT-T/2-yüzey engeli kombinasyonu, tüm konfigürasyonlar arasında minimum Njd'leri verirken, PBTD-T/2-tam engelli kombinasyon en yüksek Njd değerlerine sahiptir. Sonuç olarak, H≥1,17T'de, H=1,17T'de PBTD-T/3 hariç bütün karıştıştırıcılarla yüzey engelinin kullanıldığı tüm kombinasyonlarda, karıştırcı hızının, Njd'den 100 rpm'den fazla olacak şekilde artırıldığında, engel altındaki dönme hareketi eksenel hareketi kısmi olarak engellemesi nedeniyle, bu sıvı yüksekliği aralığında Nfd'ye ulaşmak imkansız hale gelir. Bu nedenle, yüzey engeli kullanımı tavsiye edilmemektedir.
Özet (Çeviri)
In solid-liquid mixing operations, stirred tanks are commonly used in industries. The geometry of the stirred tanks significantly affect the flow characteristics of these operations. Baffle configuration and aspect ratio which is ratio of liquid height (H) to tank diameter (T) are some of the main geometric factors. Especially in a fermentor (bioreactor) where it needs adeaquate volume for an efficient aeration, aspect ratio is one the substantial parameters. Moreover, baffles promote mixing so, it increases reaction rates and heat transfer in chemical reactions. Solids drawdown, which is immersion of floating particles from the liquid surface, is one of the main study field in solid-liquid mixing operations in stirred tanks. Solids drawdown is used for avoiding particle clumping on liquid surface and maximizing solid-liquid contact area for mass transfer and reaction. Thus, in this thesis, distribution of particles is taken into account together with drawdown. There are significant studies in solids drawdown and distribution of drawn down particles focusing on baffle geometry but none of these studies has taken the liquid height into account. The solo and synergistic analysis of these factors needs to be done. Hence, objective of this study is investigation of the effect of the liquid height and baffle geometry on drawdown of floating solids in stirred tanks. vi The key design parameters of the system were just drawdown speed (Njd) which indicates that no floating particles remain on liquid surface more than 1-2 seconds, Cloud Depth (CD), which indicates the distance between liquid surface and the lowest point of the clustered particle region in the liquid. A new parameter was defined as fully distributed speed (Nfd), which is the impeller speed at which all particles are distributed throughout the tank at which cloud depth of the particles equals to liquid height. Furthermore, power consumption at Njd (Pjd) and power consumption at Nfd (Pfd) were measured. A flat-bottomed plexiglass mixing tank with diameter of 24 cm was used. The experiments were conducted with tap water and at ambient pressure. Polypropylene granule particles (PP) whose dimensions are approximately 3 mm x 4 mm x 5 mm were used. In the beginning of the experiments where the liquid height is equal to tank diameter, solid concentration of particles is adjusted to 1% by weight w/w. Then, the mass of solid particles was kept constant while the liquid height varied. Submergence (S) which is the distance from liquid surface to bottom of the impeller blades was fixed to 8 cm (S= T/3). Three types of impellers were used; four bladed 45° up pumping and down pumping pitched blade turbine (PTBU and PBTD) and Rushton turbine (RT). Two different diameters (D) of each of the three impellers were used: 8 cm (D=T/3) and 12 cm (D= T/2). Surface baffles (B=5T/24) and full baffles (B=H) configurations were used. In addition, liquid height was increased by 4 cm from 20 cm to 40 cm (H=0.83T to H=1.67T). In general, increasing the liquid height from H=0.83T to H=1.67T resulted in a slight increase in Njd, Pjd and CD for all baffle and impeller configurations. Morever, for all impellers at varying liquid heights, combining an impeller with the full baffles gave more CD than combination of same impeller with surface baffles. T/2 impellers gave lower Njd and Pjd than T/3 impellers for all baffle configurations and liquid heights. Moreover, for all baffle configurations and impellers, for all liquid heights, RT-T/2-surface baffles combination gave minimum Njd among all vii configurations whereas PBTD-T/3-full baffles combination had the highest Njd values. In the overall, at H≥1.17T, for all impellers except for PBTD-T/3 at H=1.17T, it is not recommended to use surface baffles because it is impossible to reach Nfd due to swirling movement below the baffles which blocks axial flow at some speed around 100 rpm larger than Njd. Finally, from comparison of Pjd & Njd with Pfd & Nfd, for all combinations, it can be concluded that baffle type was more effective than impeller diameter in terms of full distribution of particles.
Benzer Tezler
- Çeliklerin erozif-abrazif aşınmasında aşındırıcı tane büyüklüğünün aşınma direncine etkisi
Effect of abrasive particle size on wear resistance for erosive-abrasive wear of steels
ERGİN KOSA
Doktora
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
- Oluklu sıvı sızdırmazlık sistemlerindeki kaçak akış miktarının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of leakage amount in grooved liquid seal
ÖMER DEHAN ÖZBOZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ VEDAT TEMİZ
- Sıvı hayvan gübresinin taban gübre ve üst gübre olarak Macar fiğinin ot verimi ve kalitesi üzerine etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of liquid animal manure as base fertilizer and top fertilizer on forage yield and quality of Hungarian vetch
AYŞE ARIGTEKİN
- İmplant destekli restorasyonlarda abutment yüzeyinin likit lateks bariyer ile kaplanmasının artık siman miktarına etkisinin in-vitro incelenmesi
In-vitro investigation of the effect of residual cement on the abutment surface of implant-supported restorations with liquid latex barrier
ZÜHRE BELDE AKKAYA
Diş Hekimliği Uzmanlık
Türkçe
2018
Diş HekimliğiHacettepe ÜniversitesiProtetik Diş Tedavisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAHADIR ERSU
- Sıvı gübre tertibatlı anıza tahıl ekimi yapan doğrudan ekim makinesinin uygulama olanaklarının irdelenmesi üzerine bir araştırma
A researh on investigation of the application possibilities of direct drill machine with liquid fertilizer assembly for grain planting stubble
YUNUS ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
ZiraatTekirdağ Namık Kemal ÜniversitesiBiyosistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILMAZ BAYHAN