Investigation of Local Hydrodynamics and Performance of Slurry Bubble Column Reactors

Les colonnes à bulles et les colonnes à bulles de suspension sont largement utilisées, en tant que contacteurs multiphasiques, dans les procédés industriels et ce, grâce à leurs faibles coûts d'investissement et d'exploitation et leur capacité à assurer un transfert de masse et de chaleur assez élevé. Elles peuvent être employées comme réacteur, absorbeur, stripper, etc. Le principe d'une colonne à bulle consiste à injecter le gaz, sous forme de bulles, dans la phase liquide. Le comportement des bulles injectées influence directement la performance du réacteur. La distribution des tailles des bulles, la vitesse des bulles, la rétention de gaz et d'autres paramètres hydrodynamiques ont un impact sur la performance de la colonne puisqu’ils affectent le transfert de chaleur et de masse ainsi que la vitesse de réaction. Toutes modifications des paramètres de conception de la colonne, des situations du procédé ou des propriétés des matériaux peuvent engendrer un changement considérable de l'hydrodynamique et, par conséquence, de la performance de la colonne. De ce fait, la conception et le scale-up des colonnes à bulles et des colonnes à bulles de suspension sont assez complexes, même si leur construction est considérée comme simple. Ainsi, la fiabilité des informations sur les paramètres hydrodynamiques locaux est indispensable pour pouvoir concevoir ces colonnes de façon appropriée. En outre, la présence des particules solides rend le système encore plus complexe, du fait que les propriétés intrinsèques de ces particules perturbent tous les aspects hydrodynamiques de la colonne. La taille des particules, leurs densités, leur caractère hydrophobe et leurs concentrations sont parmi les principaux paramètres qui ont un impact sur la performance de la colonne. Les résultats publiés sur le rôle de la taille des particules sont contradictoires. De même, à la fois des augmentations et des diminutions de la rétention de gaz ont été reportées dans la littérature. En fait, l'effet de la taille des particules peut être attribué à son impact sur la viscosité apparente et les collisions particules-bulles. L'influence des interactions solides-bulles sur le comportement des bulles est une problématique pertinente mais très peu étudiée dans la littérature. La distribution de la taille des bulles est fortement influencée par les particules, ce qui entraîne des changements dans la rétention de gaz, l'écoulement du liquide et d'autres paramètres hydrodynamiques. Le mécanisme exact par lequel les particules affectent la coalescence et la brisure des bulles n'a pas encore été élucidé.

Abstract

Bubble columns and slurry bubble columns are widely adopted in the process industries as multiphase contactors due to their unique characteristics such as low capital and operating cost and capability of providing high heat and mass transfer. They may be applied as reactor, absorber, stripper, etc. The main idea is to inject the gas, in the form of bubbles, into the liquid phase. The bubble behavior directly impacts the performance of the reactor. Bubble size distribution, bubble velocity, gas holdup, and other hydrodynamic parameters impact the column's performance as they affect the heat and mass transfer and the reaction rate. Any modification in the design parameters, process situations, and material properties may lead to a remarkable change in the hydrodynamics and, consequently, the column performance. Therefore, the design and scale-up of the bubble columns and slurry bubble columns are quite challenging despite their simple construction. Reliable information on the local hydrodynamic parameters is required to design a proper column. The presence of the solid particles in the columns adds more complexity to the system as the particles affect all hydrodynamic aspects of the column based on their intrinsic properties. The particle size, density, hydrophobicity, and concentration are among the essential parameters which may change the column performance. The reported results on the particle size's role are contradictory, and both increases and decreases in the gas holdup can be found in the literature. The effect of particle size may be ascribed to its impact on the apparent viscosity and the particle-bubble collisions. The influence of solids-bubble interactions on bubble behavior is an important issue that is rarely studied. The bubble size distribution is highly affected by the particles, which leads to changes in the gas holdup, liquid flow pattern, and other hydrodynamic parameters. The exact mechanism that particles affect the bubble coalescence and bubble breakup has not been understood yet.