Investigation on gas-liquid-solid three phase flow coupled with meso-scale particle-bubble interactions, particle-liquid turbulence and bubble induced turbulence in bubble column reactors

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Martin Sommerfeld
• Subject Area: Mechanical Process Engineering
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 391978046

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Mit den im Rahmen des Projektes durchgeführten Modellentwicklungen zur numerischen Berechnung von dreiphasigen Suspensionsreaktoren auf der Grundlage eines LES-Euler/Lagrange-Verfahrens konnten maßgebliche Beiträge im Hinblick auf zwei Aspekte gemacht werden. Durch eine räumliche Verteilung des Einflusses der Blasenphase auf das Fluidfeld über mehrere Gitterzellen konnten besonders in Wandnähe feinere Gitterzellen verwendet werden. Die Berücksichtigung der Blasendynamik (Exzentrizität) bei den Kollisionen zwischen Partikeln und Blasen resultiert in deutlich höheren Kollisionsfrequenzen und verbessert damit die Feststoffsuspendierung. Zudem wird die Schwankungsbewegung der Blasen stark reduziert und wird isotroper. Eine weitergehende Validierung Euler/Lagrange-Verfahrens anhand von Messungen ist noch erforderlich. Die umfangreichen Ergebnisse zu diesen Entwicklungen werden gerade in einer Publikation zusammengefasst. Mit Hilfe aufgelöster numerischer Simulationen (VOF für die Blase) konnte nachgewiesen werden, dass bei der Bewegung von deformierbaren Blasen in einer Suspension (modelliert als Punktpartikel) eine deutliche Veränderung des Widerstandsbeiwertes als auch der virtuellen Masse vorliegt. Dieser Aspekt sollte weitergehend untersucht werden, um entsprechende Korrelationen zu entwickeln. Simulationen zur Auftreffwahrscheinlichkeit von Feststoffpartikel auf feste sphärische als auch ellipsoide Blasen in laminarer Strömung haben gezeigt, dass die bisher verwendeten Korrelation von Schuch & Löffler (1978) als auch Schulze (1989) nicht geeignet sind für Flüssigkeitsströmungen, da bei der Herleitung die auf die Partikel wirkende virtuelle Masse und der laterale Scherauftrieb vernachlässigt wurden.

Publications

• Modelling of mass transfer for gas-liquid two-phase flow in bubble column reactor with a bubble breakage model considering bubble-induced turbulence. Chemical Engineering Journal, 371, 470-485.
  Shi, Weibin; Yang, Xiaogang; Sommerfeld, Martin; Yang, Jie; Cai, Xinyue; Li, Guang & Zong, Yuan
  
• Modelling particle-bubble interactions in liquid-gassolid three-phase flows. GLS 14, 14th Int. Conf. on Gas-Liquid and Gas-Liquid-Solid Reactor Engineering, Guilin, China, May 30 – June 3, 2019
  Walther, Ch. & Sommerfeld, M.
  
• Modelling Requirements for Numerical Computations of Bubbly Three-Phase Flows. NSFC DFG International Workshop on Three-Phase Flow Modelling and Simulation, University of Nottingham, Ningbo, China, 23rd – 25th October 2019
  Sommerfeld, M.
  
• A Modified Bubble Breakage and Coalescence Model Accounting the Effect of Bubble-Induced Turbulence for CFD-PBM Modelling of Bubble Column Bubbly Flows. Flow, Turbulence and Combustion, 105(4), 1197-1229.
  Shi, Weibin; Yang, Xiaogang; Sommerfeld, Martin; Yang, Jie; Cai, Xinyue & Li, Guang
  
• Numerical investigation on virtual mass and wake topology of bubbles in slurry carrier phase. Jahrestreffen der ProcessNet- Fachgruppen (CFD) Computational Fluid Dynamics und (MPH) Mehrphasenströmungen, 9. - 10. März 2021 Online
  Walther, C. & Sommerfeld, M.
  
• Analysis of particle interaction with rigid and mobile deformed single bubbles. Proceedings of the 15th International Conference on Gas-Liquid and Gas-Liquid-Solid Reactor Engineering (GLS-15), Ottawa, Canada, August 8-11, 2022
  Sommerfeld, M. & Taborda, M.A.
  
• Collision rates of small solid particles with rigid deformed bubbles in laminar flow and possible adhesion. 4th International Symposium on Multiscale Multiphase Process Engineering (MMPE), Berlin, Germany 25-28, September 2022
  Sommerfeld, M. & Taborda, M.A.
  
• Euler/Euler large eddy simulation of bubbly flow in bubble columns under CO2 chemisorption conditions. Chemical Engineering Journal, 445, 136654.
  Long, Shanshan; Yang, Xiaogang; Yang, Jie & Sommerfeld, Martin
  
• Extension of stochastic collision approach for nonspherical particles in three-phase flows. Proceedings of the 15th International Conference on Gas-Liquid and Gas-Liquid-Solid Reactor Engineering (GLS-15), Ottawa, Canada, August 8-11, 2022
  Walther, Ch. & Sommerfeld, M.
  
• Influence of solid particle loading on the virtual mass of bubbles. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Mehrphasenströmungen, Mechanische Flüssigkeitsabtrennung sowie Zerkleinern und Klassieren, 21. – 22. Februar 2022 (Online-Event)
  Walther, C. & Sommerfeld, M.