Using a light transmission optical probe, the effect of superficial gas and liquid velocities on bubble properties (bubble size, bubble rising velocity, bubble frequency and local gas holdup) at axial and radial positions were determined in the riser and the downcomer of a concentric cylinder airlift reactor. Both the vertical bubble length, the bubble rising velocity and the bubble frequency at axial in the riser increased with increasing superficial gas velocity and the bed height, but not depended on the superficial liquid velocity in the given experimental range. The radial distribution of local gas holdup, vertical bubble length and bubble frequency in the riser and the downcomer were found to be non-uniform. The profiles of local gas holdup, vertical bubble length and bubble rising velocity in the riser were shown as parabolic shapes. The local gas holdup, the vertical bubble length and the bubble frequency in the downcomer changed with superficial gas velocity and the distance from the top of the draft tube.
Recirculation and flow structures of the gas in the downcomer section of a concentric cylindrical airlift reactor of air-water system were studied using a light reflection probe with the cross-covariance technique. A semi-empirical model presented here for predicting the gas recirculation rates in airlift reactors was developed based on the concept of ideal bubbly flow. The entrained gas rate and the gas recirculation rate increased with increasing superficial gas velocity. There were non-uniform radial distributions of air flow in the downcomer. Air flow rates in the downcomer depended on superficial gas velocity and the distance from the top of the draft tube, but not depended on superficial liquid velocity.
The effects of superficial gas velocity, the downcomer-to-riser cross-sectional area ratio (0.11≤$A_d/A_r$≤0.53), and the connecting section length (0.1 ≤$L_c$≤ 0.6) on gas phase holdup, the circulation liquid velocity, the mixing performance and the volumetric mass transfer coefficient were determined in external-loop airlift reactors with the extended downcomer tube (ELE) and external-loop airlift reactors without the extended downcomer tube (EL). The connection pipe length was confirmed as a major parameter which strongly affects the performance of external-loop airlift reactors. The riser gas holdup and the volumetric mass transfer coefficient in external airlift reactors increased with increasing superficial gas velocity, but an increase in the circulation liquid velocity caused both to decrease. The riser gas holdup and the volumetric oxygen mass transfer coefficient in both types of the airlift reactors decreased as downcomer-to-riser cross-sectional area ratio or connection pipe length was increased. The downcomer gas holdup increased due to an increase of the circulation liquid velocity as the superficial gas velocity and the $A_d/A_r$ increased. The downcomer gas holdup decreased due to an increase in gas-liquid separating abilities of connection section as $L_c$ was increased. For the ELE, the riser liquid velocity increased as the superficial gas velocity, $A_d/A_r$ and $L_c$ increased. In the case of EL, there was a maximum value of circulation liquid velocity due to the size fluctuation of the air pocket in the top connection part with changing superficial gas velocity. Correlations of gas holdups, volumetric mass transfer coefficient, circulation liquid velocity, and mixing time in both types of external-loop airlift reactors were obtained.
In addition, the external-loop airlift reactor with a gas-liquid separator for oxygen transfer was experimentally investigated. The mass transfer coefficient in the external-loop airlift reactor with separator (ELS) was found to be higher than that in the ordinary airlift reactor without separator (EL) with high superficial gas velocity. With increasing superficial gas velocity the circulation gas flow rate increased due to increases in the circulation liquid velocity and downcomer gas holdup. As connection pipe length was increased, the gas-liquid separating abilities of top connection section increased due to an increase in the volume of the region and then volumetric circulation gas flow rate decreased. The volumetric circulation gas flow rate linearly increased with the downcomer gas holdup.
For determination of local gas holdup, vertical bubble length, bubble rising velocity, and bubble frequency, four different probe methods were performed. The four methods were vertically projecting electroresistivity, horizontally projecting electro-resistivity, U-shape light reflection, and light transmission. The measured values of bubble properties strongly depended on the size and configuration of the probe tips. The light transmission probe developed in this work was proved to be the most effective one to determine the bubble properties. To minimize interferences of bubble flow, the size of probe tip should be small as possible and its configuration must be vertically projected.
광투과광학탐침(light transmission optical probe)을 사용하여 concentric cylinder airlift 반응기내의 폭기관(riser)과 순환관(downcomer)에서의 기상과 액상속도가 수직높이와 반경방향 거리에 따른 기포특성치(기포크기, 기포상승속도, 기포빈도수 그리고 국부기체류량)에 미치는 영향을 결정하였다. 폭기관의 중심부에서의 기포수직거리와 기포상승속도 그리고 기포빈도수는 기상속도와 층높이의 증가에 따라서는 증가하나, 본실험 범위의 액상속도에는 무관하였다. 폭기관과 순환관내의 국부기체체류량과 기포수직길이 그리고 기포빈도수의 반경방향분포는 불균일하였는데, 폭기관내의 국부기체체류량과 기포수직길이 그리고 기포상승속도는 포물선분포를 보여주었다. 순환관내의 국부기체체류량과 기포수직길이 그리고 기포빈도수는 기상속도와 draft tub의 상부로 부터의 거리의 변화에 따라 변하였다.
광반사광학탐침(light reflection optical probe)과 cross-covariance technique을 사용하여 concentric cylinder airlift 반응기의 순환관내의 기체의 흐름구조와 기체의 재순환을 연구하였다. 재순환되는 기체유량을 예측하기위해 본 연구에서 제시한 semi-empirical model은 ideal bubbly flow의 개념을 기초로 하여 개발되었다. 순환관으로 유입되는 기체유량및 재순환기체유량은 기상속도가 증가함에따라 증가하였으며, 순환관내의 기체흐름은 반경방향으로 불균일하였다. 순환관내의 기체유량은 기상속도와 draft tube의 상부로 부터의 거리에 의존하였으나 액상속도에는 무관하였다.
확장관을 갖는 외부순환형 airlift 반응기(ELE)와 확장관을 갖지 않는 외부순환형 airlift 반응기(EL)내에서의 기체체류량과 순환액체속도, 혼합성능 그리고 물질전달계수에 대한 기상속도, 폭기관에 대한 순환관의 단면적비(0.11≤$A_d/A_r$≤0.53), 연결관의 길이 (0.1 ≤$L_c$≤0.6)의 영향을 결정하였다. 연결관의 길이는 외부순환형 airlift 반응기의 성능에 큰영향을 미치는 변수임이 확인되었다. 외부순환형 airlift 반응기내의 폭기관 기체체류량(riser gas holdup)와 물질전달계수는 기상속도의 증가에 따라서는 증가하였으나, 순환액체속도의 증가에 따라서는 감소하였다. 두가지 형태의 외부순환형 airlift 반응기내의 폭기관 기체체류량과 산소 물질전달계수 모두는 폭기관에대한 순환관의 단면적비나 연결관의 길이가 증가되면 감소하였다. 순환관 기체체류량(downcomer gas holdup)은 순환액체속도의 증가로 기상속도와 $A_d/A_r$이 증가하면 증가하였다. 연결관의 길이가 증가함에 따라서는 연결관의 기-액 분리능력이 향상되기 때문에 순환관 기체체류량은 감소하였다. ELE의 경우, 폭기관 액체속도(riser liquid velocity)는 기상속도와 $A_d/A_r$ 그리고 $L_c$가 증가하면 증가하였다. EL의 경우, 상부연결관내의 air pocket 크기의 변화때문에 기상속도의 변화에따라서는 최대 액상속도가 존재하였다.
그리고 물질전달을 향상시키기 위해, 기액분리기가 설치된 외부순환형 airlift 반응기가 실험적으로 연구되었다. 기상속도가 높을때 기액분리기가 설치된 외부순환형 airlift 반응기가 분리기가 없는 보통의 airlift 반응기보다 더 큰 물질전달계수를 보여 주었다. 기상속도가 증가함에 따라 순환액체속도와 순환관내의 기체체류량이 증가하기 때문에 순환기체유량은 증가하였다. 연결관이 증가함에 따라서는, 연결관 부피의 증가로 인하여 상부 연결관의 기-액 분리성능이 증가하기 때문에 순환기체유량은 감소하였다.
국부기체체류량과 기포수직길이, 기포상승속도 그리고 기포빈도수를 결정하기 위하여 네가지의 다른 탐침법이 실행되었다. 그 네가지의 방법은 수직으로 튀어나온 저항탐침(vertically projecting electro-resistivity probe), 수평으로 튀어나온 저항탐침(horizontally projecting electro-resistivity probe), U자 모양의 광반사탐침(U-shape light reflection probe) 그리고 광투과탐침법(light transmission probe)이었다. 측정된 기포특성치는 탐침 tip의 크기와 형태에 크게 의존하였으며, 본 연구에서 개발한 광투과탐침은 기포특성치를 가장 효과적으로 측정할 수 있는 것이었다. 기포흐름에 대한 방해를 최소화하기 위해서는, 탐침의 tip은 가능한 한 작아야하며 수직으로 튀어 나온 것이어야 된다.
