Modelling of the hydrodynamics of bubble columns using a two-fluid model coupled with a population balance approach

La simulazione di colonne a bolle in condizioni industriali è un problema di grande rilevanza. L’obiettivo principale di questo lavoro è prevedere con modelli computazionali la dimensione delle bolle, legata alla fluidodinamica dei reattori, considerando i fenomeni di rottura e di coalescenza. La validazione del modello è effettuata tramite il confronto con dati sperimentali appositamente raccolti, tra cui la dimensione delle bolle, ottenuta con un’innovativa tecnica di cross-correlazione. Gli esperimenti effettuati con acqua parzialmente contaminata e con acqua demineralizzata con l’eventuale aggiunta di etanolo, mostrano che gli additivi riducono la coalescenza e diminuiscono la dimensione media delle bolle. Sono stati inoltre utilizzati negli esperimenti con due sparger diversi, per disaccoppiare lo studio di rottura e coalescenza. I dati sperimentali sono stati utilizzati per convalidare simulazioni CFD 3D transitorie Euleriane-Euleriane. Il modello per la forza di trascinamento è corretto da un fattore di swarm per considerare l’effetto delle interazioni tra le bolle. Sono stati testati diversi modelli di turbolenza, nonché il contributo delle bolle sulla miscelazione degli scalari. Per prevedere la dimensione delle bolle, è stato utilizzato un bilancio di popolazione risolto con il metodo di quadratura dei momenti. Nella presente tesi viene proposto un set di kernel di rottura e coalescenza per prevedere le dimensioni delle bolle in diverse condizioni operative, considerando anche gli effetti dello scale-up.The simulation of bubble column reactors under industrial operating conditions is an exciting challenge. The main objective of this work is to predict the bubble size, in turn interconnected to the reactor hydrodynamic conditions, with computational models, by modelling bubble breakage and coalescence. Experimental data is collected for model validation, including bubble size measurements with an innovative cross-correlation technique. Experiments are carried out with tap water and demineralized water, with or without the addition of ethanol, and gathered results show that additives reduce coalescence and lower the mean bubble size. Two different spargers are used, in order to decouple the investigation of breakage and coalescence. The experimental data set is used to validate out unsteady three-dimensional Eulerian-Eulerian CFD simulations. A drag law for oblate bubbles is considered, together with a swarm factor, that accounts for the swarm effect. Several turbulence models are tested. The contribution of bubble induced turbulence (BIT) to scalar mixing is assessed. To predict bubble size, a population balance model is coupled to the hydrodynamic model and is solved with the quadrature method of moments. A set of breakage and coalescence kernels is proposed, capable of predicting the bubble size for different operating conditions. Scale-up effects are also investigated.La simulation de réacteurs à bulles en régime industriel est un grand défi. L'objectif principal de ce travail est la prédiction de la taille des bulles à l’aide d’un modèle numérique de bilan de population, basé sur la modélisation des phénomènes de brisure et de coalescence, et pouvant être couplé aux conditions hydrodynamiques présentes dans les réacteurs. Différentes données expérimentales sont obtenues pour valider le modèle. La taille des bulles est mesurée à l'aide d'une technique innovante de corrélation croisée. Les essais, réalisés en eau du réseau (partiellement contaminée) et en eau déminéralisée avec ajout éventuel d'éthanol, montrent que les additifs réduisent la coalescence et diminuent la taille moyenne des bulles. Deux distributeurs du gaz différents sont utilisés pour découpler l'étude de la brisure et de la coalescence. Les données expérimentales sont utilisées initialement pour valider des simulations CFD 3D transitoires Eulériennes-Eulériennes. La loi de traînée est corrigée par un facteur de swarm pour intégrer l’effet d’une fraction de gaz élevée. Différents modèles de turbulence sont testés. La contribution de la turbulence induite par les sillages de bulles au mélange de scalaires est évaluée. Enfin, pour prédire la taille des bulles, un bilan de population est couplé au modèle hydrodynamique préalablement validé et est résolu par la méthode de quadrature des moments (QMOM). Un set original de kernels de brisure et coalescence est proposé, capable de prédire la taille des bulles pour différentes conditions opératoires. Le comportement du modèle lors de l’extrapolation des réacteurs est également examiné

Dietary Fibers and Cardiometabolic Diseases

The high prevalence of cardiovascular disease (CVD) is largely attributable to the contemporary lifestyle that is often sedentary and includes a diet high in saturated fats and sugars and low ingestion of polyunsaturated fatty acids (PUFAs), fruit, vegetables, and fiber. Experimental data from both animals and humans suggest an association between increased dietary fiber (DF) intakes and improved plasma lipid profiles, including reduced low density lipoprotein cholesterol (LDL-C) concentrations. These observations underline that the intake of DF may protect against heart disease and stroke

Modélisation de l'hydrodynamique des colonnes à bulles selon une approche couplant modèle à deux fluides et bilan de population

The simulation of bubble column reactors under industrial operating conditions is an exciting challenge. The main objective of this work is to predict the bubble size, in turn interconnected to the reactor hydrodynamic conditions, with computational models, by modelling bubble breakage and coalescence. Experimental data is collected for model validation, including bubble size measurements with an innovative cross-correlation technique. Experiments are carried out with tap water and demineralized water, with or without the addition of ethanol, and gathered results show that additives reduce coalescence and lower the mean bubble size. Two different spargers are used, in order to decouple the investigation of breakage and coalescence. The experimental data set is used to validate out unsteady three-dimensional Eulerian-Eulerian CFD simulations. A drag law for oblate bubbles is considered, together with a swarm factor, that accounts for the swarm effect. Several turbulence models are tested. The contribution of bubble induced turbulence (BIT) to scalar mixing is assessed. To predict bubble size, a population balance model is coupled to the hydrodynamic model and is solved with the quadrature method of moments. A set of breakage and coalescence kernels is proposed, capable of predicting the bubble size for different operating conditions. Scale-up effects are also investigatedLa simulation de réacteurs à bulles en régime industriel est un grand défi. L'objectif principal de ce travail est la prédiction de la taille des bulles à l’aide d’un modèle numérique de bilan de population, basé sur la modélisation des phénomènes de brisure et de coalescence, et pouvant être couplé aux conditions hydrodynamiques présentes dans les réacteurs. Différentes données expérimentales sont obtenues pour valider le modèle. La taille des bulles est mesurée à l'aide d'une technique innovante de corrélation croisée. Les essais, réalisés en eau du réseau (partiellement contaminée) et en eau déminéralisée avec ajout éventuel d'éthanol, montrent que les additifs réduisent la coalescence et diminuent la taille moyenne des bulles. Deux distributeurs du gaz différents sont utilisés pour découpler l'étude de la brisure et de la coalescence. Les données expérimentales sont utilisées initialement pour valider des simulations CFD 3D transitoires Eulériennes-Eulériennes. La loi de traînée est corrigée par un facteur de swarm pour intégrer l’effet d’une fraction de gaz élevée. Différents modèles de turbulence sont testés. La contribution de la turbulence induite par les sillages de bulles au mélange de scalaires est évaluée. Enfin, pour prédire la taille des bulles, un bilan de population est couplé au modèle hydrodynamique préalablement validé et est résolu par la méthode de quadrature des moments (QMOM). Un set original de kernels de brisure et coalescence est proposé, capable de prédire la taille des bulles pour différentes conditions opératoires. Le comportement du modèle lors de l’extrapolation des réacteurs est également examin

Modelling of the hydrodynamics of bubble columns using a two-fluid model coupled with a population balance approach

La simulation de réacteurs à bulles en régime industriel est un grand défi. L'objectif principal de ce travail est la prédiction de la taille des bulles à l’aide d’un modèle numérique de bilan de population, basé sur la modélisation des phénomènes de brisure et de coalescence, et pouvant être couplé aux conditions hydrodynamiques présentes dans les réacteurs. Différentes données expérimentales sont obtenues pour valider le modèle. La taille des bulles est mesurée à l'aide d'une technique innovante de corrélation croisée. Les essais, réalisés en eau du réseau (partiellement contaminée) et en eau déminéralisée avec ajout éventuel d'éthanol, montrent que les additifs réduisent la coalescence et diminuent la taille moyenne des bulles. Deux distributeurs du gaz différents sont utilisés pour découpler l'étude de la brisure et de la coalescence. Les données expérimentales sont utilisées initialement pour valider des simulations CFD 3D transitoires Eulériennes-Eulériennes. La loi de traînée est corrigée par un facteur de swarm pour intégrer l’effet d’une fraction de gaz élevée. Différents modèles de turbulence sont testés. La contribution de la turbulence induite par les sillages de bulles au mélange de scalaires est évaluée. Enfin, pour prédire la taille des bulles, un bilan de population est couplé au modèle hydrodynamique préalablement validé et est résolu par la méthode de quadrature des moments (QMOM). Un set original de kernels de brisure et coalescence est proposé, capable de prédire la taille des bulles pour différentes conditions opératoires. Le comportement du modèle lors de l’extrapolation des réacteurs est également examinéThe simulation of bubble column reactors under industrial operating conditions is an exciting challenge. The main objective of this work is to predict the bubble size, in turn interconnected to the reactor hydrodynamic conditions, with computational models, by modelling bubble breakage and coalescence. Experimental data is collected for model validation, including bubble size measurements with an innovative cross-correlation technique. Experiments are carried out with tap water and demineralized water, with or without the addition of ethanol, and gathered results show that additives reduce coalescence and lower the mean bubble size. Two different spargers are used, in order to decouple the investigation of breakage and coalescence. The experimental data set is used to validate out unsteady three-dimensional Eulerian-Eulerian CFD simulations. A drag law for oblate bubbles is considered, together with a swarm factor, that accounts for the swarm effect. Several turbulence models are tested. The contribution of bubble induced turbulence (BIT) to scalar mixing is assessed. To predict bubble size, a population balance model is coupled to the hydrodynamic model and is solved with the quadrature method of moments. A set of breakage and coalescence kernels is proposed, capable of predicting the bubble size for different operating conditions. Scale-up effects are also investigate

Simulation of bubble columns under industrial operating conditions

Journée Scientifique 2017 du Codegepr

Population balance modelling of bubble columns under the heterogeneous regime

Population Balance Modeling Conference 2018 (PBM 2018

Validation of a population balance QMOM model applied to heterogeneous bubbly flows taking into account water contamination

10th World Congress of Chemical Engineering - WCCE 201

CFD simulation of bubble columns including appropriate drag law and breakage/coalescence models

16ème Congrès de la Société Française de Génie des Procédé

Hydrodynamics and bubble size in bubble columns: Effects of contaminants and spargers

The simulation of bubble columns operating under the heterogeneous regime is an ambitious challenge, due to the difficulty of predicting accurately hydrodynamics and bubble size distributions, that requires experimental data for model validation. Gas fraction distributions, liquid and gas velocity profiles and bubble size distributions across bubble columns are deeply interconnected in these systems and only a comprehensive study allows the links between them to be understood. This work reports experimental data obtained by measuring bubble sizes with an innovative technique based on the cross correlation between two optical probes. Particular attention is given to the role of additives and impurities with a view to suppressing bubble coalescence. Initially experiments are carried out with demineralized water; subsequently they are repeated with tap water and adding small quantities of ethanol. Results show that contaminants and alcohol addition suppress bubble coalescence and induces a decrease of mean bubble sizes. Furthermore, alcohol addition delays the transition from homogeneous to heterogeneous regimes and increases the gas hold-up under the heterogeneous regime. Gas distribution is studied through two different perforated spargers. Changing the sparger it is possible to modify the bubble size in the lowest part of the column significantly. A perforated sparger with big holes causes the formation of big bubbles close to the holes of the sparger and promotes bubble breakage in the lower part of the column. By combining ethanol addition and sparger modification, bubble coalescence and bubble breakage can be decoupled in a controlled manner and interesting conclusions concerning these processes can be drawn. Beyond the novelty of bubble size measurements at high gas fraction, the experimental data collected are very useful to validate and develop computational fluid dynamics simulations coupled with population balance models suitable for heterogeneous bubbly flows