Vorteks mikserler: Gaz ve gaz-katı karışma için yeni stratejiler - Geçim, Gözde (Bursa Teknik Üniversitesi, 2022)
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 (????) sayısı 20'den 280'e kadar olan bölgesi için araştırılmıştır. Teğetsel jetlerden gönderilen iki gaz akışının akış rejimi geçişleri, akışın kritik ???? sayısının belirlenmesi ile analiz edilmiştir. Metan gazı kullanılarak gerçekleştirilen gaz akış hidrodinamiği deneylerinde girdap hareketi ???? = 70'te, akıştaki düzensiz hareketler ise ???? = 230 civarlarında oluşmaktadır. Bu bölgeye kadar, çember içerisindeki gaz karışma hidrodinamiği difüzyon mekanizması kontrollüdür. ???? = 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 ???? = 40'ta, azot ve argon gazları ise ???? = 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 ???? = 150'de, azot için ???? = 200'de ve argon için ???? = 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 ???? 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 ???? sayılarında (???? ? 70) gözlenirken, ikinci kritik nokta Ar/H2 akışı için ???? ? 120'de, Ar/N2 akışı için ???? ? xxi 190'da bulunmuştur. Artan ???? sayısı ile akışkan partikülleri arasındaki artan kayma gerilimi nedeniyle taşınım mekanizması difüzyon mekanizmasının üstesinden gelmeye başlamaktadır. Hidrojen daha yüksek gaz hızına ve dolayısıyla aynı ???? sayısında azot gazından daha yüksek bir kayma gerilimine sahip olduğundan, Ar/H2 akışının kritik ???? 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 ???? sayıları basınç düşüşü analizi sonuçları ile aynı bulunmuştur. Katı dağılımının en optimum olduğu ???? 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.

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 ???? numbers from ???? = 20 to 280. The detection of the critical ???? 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 ???? = 70, and the instabilities in the flow started around ???? = 230, below which, gas-flow hydrodynamics was diffusion controlled. Beyond ???? = 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 ???? = 40, nitrogen and argon completed a full turn at ???? = 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 ???? = 150, than for nitrogen at ???? = 200 and argon at ???? = 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 ???? numbers was also investigated by feeding each jet with a different gas. While the first critical point was found to be at the same ???? number (???? = 70) for both Ar/H2 and Ar/N2, the second critical point was discovered to be at ???? = 120 for Ar/H2 and ???? = 190 for Ar/N2. Because of the increasing shear stress between fluid particles, the convection dominates diffusion as ???? number increases. Because xxiii hydrogen has a faster gas velocity and consequently a larger shear stress than nitrogen at the same ???? number, the critical ???? number of the Ar/H2 flow was discovered to be lower than the critical ???? 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 ???? 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.
Vortex mixers: New strategies for gas and gas solid mixing
Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Keywords: Kimya Mühendisliği; Chemical Engineering