13
Open Archive Toulouse Archive Ouverte (OATAO) OATAO is an open access repository that collects the work of some Toulouse researchers and makes it freely available over the web where possible. This is an author's version published in: https://oatao.univ-toulouse.fr/22833 Official URL : https://doi.org/10.1002/ceat.200401965 To cite this version : Any correspondence concerning this service should be sent to the repository administrator: [email protected] Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises Javier and Bertrand, Joël Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics and Mass Transfer in Stirred Vessels. (2004) Chemical Engineering and Technology, 27 (9). 988-999. ISSN 0930-7516 OATAO Open Archive Toulouse Archive Ouverte

Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

  • Upload
    others

  • View
    6

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

Open Archive Toulouse Archive Ouverte (OATAO) OATAO is an open access repository that collects the work of some Toulouse

researchers and makes it freely available over the web where possible.

This is an author's version published in: https://oatao.univ-toulouse.fr/22833

Official URL : https://doi.org/10.1002/ceat.200401965

To cite this version :

Any correspondence concerning this service should be sent to the repository administrator:

[email protected]

Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises Javier and Bertrand, Joël Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics and Mass Transfer in Stirred Vessels. (2004) Chemical Engineering and Technology, 27 (9). 988-999. ISSN 0930-7516

OATAO Open Archive Toulouse Archive Ouverte

Page 2: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

������ �� �� �� ����� ���� �������� �� ��� �������������� ��� ������� �� ������� ������

�� ������ ������ ����� ��������� �������� ������� ������������ ������ �������������� ��� � �� ��������

� ���� ������� �� � ���� �� ������� ����� ������������� �� �� �� �� ��� ��� �� ���� �� � ��� ��������� �������� � ��������� �� �� ������� ��������� � �� � � ������� �� � ������ �� ����� � � ���� ������ �������� ����� ���� ������ ��� �� �������� �� ����� �� � ���� ������ �� � ���� ��� �������� � ��������� �� ����� �� ��������� ��� � ������ ����� ���� �� �������� �� ����� �� � ��� ������� ����� ������� ������ ��� ��������� � �� ��� ���� �� � ��� ������ � � � ���� �� � �� ���� ��� ������ � �� � ������� ������� �������������� ��� � ����� ���� �� � � ������ � �� ��� ������ �� ������� ������ ������ �� ! " #�$% ��� ! "#�%� ��� ��� � ����� �� ����� ������ ��� � ���� ������ ���� ���� � ������� & �� ���� �� ������ �'� ��� �� ����� ������ ���� �� ()� ��� ��� � ������ �������� ��������� ��� � ������� �� � ������� ����� ������ ���� �������� �� �� � ����� ��

� ������������

� �� ������� ���������� �������� ���� �� ������������ �� ���� ���� ����� ���� � � � ������������������ ���� ��� ������ ����� ���� �� ���� � ������ �� ������ � �� ���� �� � � �������� �� � �������������� ���� �� � ��� ��������� �� ����� �� ����� ����� � �� ������� �� �� ��� ���� ��������� ��� ��� ������������� �� � �� � ��� ������ �� ���*���������� � ����� �� ������ ���� � ����� +,-� .������������ �������� � �� ���� �� � ������� �� �������� ����� ������������� �� �� �� �� ��� �� ���� ���&�� +$- ��� �� �� ���� �� �� /����0����1 �� �� +2-��� �� � �� ��� �� ������ � ��������� �� �� �������� ��������� � �� � 3���� � � ������� �� �������� ����� ������������� �� ������������ � �� � ���� �� ���� � �� ���� � � ���� ������� +4-�

� �� ������� �� �� ��� ���� �� ���� ������� ������ ������ ��� ���� ����������� ������ ���� ����� ������ . 5 �,6� � ���� ����� ����� ��� � ������������ ��� ���� ������ ������ � �� ��� ���������� +% (-� ��� ��� ����� ���� ��������� � ������������������ � �� ��� . " � ��� � ���� ����� �������� � ������ ������ �� ����� �� � �������� +4�8-�9� � ��� ���� �� ���� �� �� ����� � �� � � �� ��� ����� ������� ������ +,#- ��� ��� ����� ������ ���� ���� � �����

� ���� ������ �� � � ����� ��� ��� ������������ �� ������ : " ��2 ��� . " � �� ��� ���� ����� �� /������� �� �� +,,-� �� ���� ��� � ���� ���� ������� �� � ������� �� � ���� ���������� � �� �� � � �; � �������� ���� �

������ ��� � ������� �� � ���� ������ ����� ��� �� � ������ ������ ���� � �� � �� �� ����� ���� ���� ������ ����� �������� ������ ��� ��������� ���� ������ �

� ������� �� ������� ���� � ������ �� ������������ �� ������� ������������� ������� � ��� � �� ����� �� ���� ����� +<�,$-� =����� ��������������� � �� ��� ���� ������ ������ �� ������� ������� �� ����� �� ��� ���� ��� �� �� �� ����

� ��� �� �� ���� � �� ������ � ������� �� � ������� �� ����� � � ���� ������ ������� � ����� ���������� ��� �� �������� ��� � ��� �� � ���� �������� � ���� ��� �������� � ��������� �� ����� ����������� ��� � ������ ����� ���� �� �������� �� ���� ������� ����� ������� ������ ��� ���� �� � ��������� ��� � ���� ������

� �� �������

� ������� �� ������� �� � ��� ������� ������������ ����������� ���� ��� ������� ������ � " #�,8 ���� � ������ �������� ����� �� � " #�,8 �� ������ ��������� ������� ����� ������������� � >��� ����� ?#�, �6�� ����������� ������ �� #�##8 � ���� ���� � ������ ����� ������ �� � ����������������� � �� ��� ����� ��� �� �������� ?��6 �� � �� � ��� ������ ?:�6 �� ��� �� >��� ,� � ������ �� ����� ��� ������ �� � ������ ��� �� . " ���� ����� ��� ����

��� ����� ��� ���� ������ �� =� " #�<% :' ��� =� ",�4 :'� � ������� �� � �� ��� ����� �� �� ��4# @ #�###< � �� ������� >�� � $ ��� 2� ��� ��� � , ��� $����� � ����� ����� �������� ��� ������ �������������� � � �� ���� ��� ����� �� � ������� �� ����� �� 4A ,(2% '�� ��� ���� ���� �� � ���� �� ��������� ?>�6 #�##< #�$22� � ��������

� �������� ��� �� ����� �� � ������ �� � ������������ �� � ��������� ��� �� ���� �� ����� �� ��

� �! ,#�,##$�����$##4#,8<%

7

+�- :� F���I��!���J � K� LM������.�1�� !���� � N�I���� >�����J������&�� $## � $, &����� O� ,<#4$� ,,<## .������ !���; !����� P���?�����Q !������P���R� �������6� O� ����������� L� ��������'��������� � FJ�� !����� KS/ !3/= %%#2 7 %� �� O������������ 7 �O ,2#, 7 2,,#< ������ !�� ,� >�����

,6 '� � �� ����� �� � �� �� � �����

Page 3: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

T��������U �� � ������� � ���������� �� �� %## �, ��� �� ��� ������� ��� ���� ���� �� � /����� ����� �� 42(##� � ����� �� � �������� ��� �� ��� ��� �� � �������� ����� ������ ?=����� ��� S����6

������ �� � �������� ���� � ��������� ���� �� ������ �� ������� ��� �������� �� �� �� ����� ������� �� � ���� � � ��� �� �� � � �� ��������� � ���� ��� ��������

$����� �% � � � ��� ������ ���� ��� ?��6�

$����� �% D����� �� ����� �������� ��� � ������ ������������� ��

$����� &% D����� �� ������ ������������� ��� ����� �� ����� S,�

81

A

J_

s z

M2

M4

s z

_l_ A

_1_ A

43

A-A

34

A-A

C

C

1 _j_ A

A B

E F

Page 4: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

� ��������� �� ���� �� ��������� �'� �� ��� ��� � ��� � ������ ������� ���� +,2- ��� �� ��������� �� ������ �� � ������� �� � ����� � ���������� ���� �� ���������� ��� � ��� � ��� ���������� ������ � � ��� ��� �� � ���� � ���� ����������� �� ���� �� A�$ � �� ���� �� �������� �'�� ����� �� � ��� ������ ���� ��� � �� �� � *� ����� ��� ���� ��� �� �������� ���� ���� �� �� � ���������� �� ���� �� �������� � ������ �� � ��� ������� ������� +,4-� >�������� ��� ��� �'� ���� ?V #�#< 7,6���� �� ������� �� �� ����� � ������� ������� �� ��� ��������� ?���� ������� ���� �� ���� �������� 6 ���� � �������� +,%-�

!'���� �!��

�,� �'��

�'���,��������

� ,�'���,

�����'����

?,6

� ������ ���� �� �������� ?9�D6 �� ��������� ����� �� �� ����� ���� ���� �� ��� ������ �� ����� ��� ������� +,#-�

9�D " �'� !� 0'�O� ?$6

&�� � ������� �� ������ ��� �� 2# W!� &� �� ��������� � ���������� ������������ �� ����� �� ���� � A�<2 �� 9$��' +,<-�

& '����� �� ����������

&%� (�)�� *����� ���� �� ������������

� ���� ����� �� � ����� ���� ������ � � �� ���������� �������� ��� �� � ������������� � �� ����� ��� ������ ��� �� ����� �� ������� �� ������������ �� �� +,A-�

.������ �� ��� +<- ������ ��� ��� ��� � ������� ���������� ����� ��� #�<A � � ���� ����� �� � ���������� � �� ���������� ���� ��� �� � ���� ������� � ��� .����� �� ������� ���� ��� � ���� ���� ������ ������ � ��� #�<A � ������� ���� � ���������� �� � ��������� �� +,(�,8-� � ������������ ������ �� ������� � � ���� �� � ������� ���������� � ����� �� ������� �� �� ������ ����� ��� � ���������� �� +,8-� 9� � ��� ���� H���� ��� 3���� +8-�� ����� � ���� ��� ������� �� � ���� ������ � ���� � ������� ������ ��� ! " ! " ,�2 ���� . " �� �������� ���� ��� ������� �� ,�% ��� � ���� ����� �� � ����� ������ � ��� ��� ������� ������������ ��� �� ��� �� � �� ����� ��� �� /������� �� ��� +,,-?O$�O, " ,�%%6 �� � ������ � �� �� � ������ ��� ����� �� �� ��� � ������ ���� ������� /������� �� ���+,,- �� � ������ ��� ����� ��� � ������ ������� ���� #�% �� �� ����� ����� � �� �� ,�(%� �� ���� ���� ��� � ������ ���������� ���� ������ ���� �� � ������ �� ��� ���� �� ����� ��� ������� ���� ! "#�2(% �� ������� ���� ������ � ������ �� ����

�+� �% =����� �������� �

3��������� /��� ������������ ��

.��� ���� � ������������� 1��

!������ ���� ����� ������ �� �

������ =��

S, 4$ #�,2 #�,$ � !�� " #�$%#�,( � !�� " #�22

S$ 8$ #�,2 #�,$ � !�� " #�$%#�,( � !�� " #�22

S2 8$ !�� #

S4 4$ #�2$ � !�� " #�$%#�4# � !�� " #�22

7#�#A�

� � ������ ���� ��� ��� � ����� � ������ ���� � ���� �������

�+� �% ����� ������������� �

������������������

3��������� K��� ������ '��� ������ ! !

:�<% & 7 :�<% #�22 � 7

:�<% X :�<% � :�<% :�<% #�22 � #�22 �

:�<% X :�%$ ! :�%$ :�<% #�22 � #�22 �

:�<% : 7 :�<% #�$% � 7

:�<% X :�<% D :�<% :�<% #�$% � #�% �

:�<% X :�%$ > :�%$ :�<% #�$% � #�% �

Page 5: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

� � ��� �� � ���� � ���� ��� ������� �� ������ �� � � � ������ ��� ������� ������������ ���������� �� ��� �� ���� 2�

& ��� � �� ���� � ���� ����� �� ������������� &��� : �� ������� ��� ��� � ��� �� � ����� ������������� ��������1� �� � �������� �� � ����� �������� � ���� ��� � ������ �� #�#% � ��� #�$% �� � �������� ��� �� � ����� ������� � ��������� �� � �������� �� � ������ ��� ����� �� � ������ ���� #�$% ��� #�22 � �� ��� �� � ���������� ������� �� � ������� ��������

9� � ��� ���� �� � �� ��� �� ����� ��� ��� �� �������������� D ��� �� �� ! � ���� �� #�% � ���#�22 �� � �������� � ����� O$�O, �� ,�4< ��� ,�$4 ��������� ?��� ��� � �������� �� O$�O, �� ������������$#) ��� ����� �� ��� ������� �� /������� �� ��� +,,-6���� ���� ��� �� � ������ ��� ��� ������� ������� �� � � ����� ���������� ���� � ������ �

� � �� �� ������������� ! ��� >� �� � ���������� � $#) �������������� ����� ��� � ���� ���� ���� ��� ������� � ������ �� ��� �� � �������������� ��� � ���� ������ ?& ��� :6� � ������� ��� �� �� ������ � � ����� ����� �� � ����� �� ����� ��� ������� �� �� � ������������ �� � ���� ������� ?,�, C6� ��� � ���� �� � ���� ����� �� ��� ���������� ���� ��� ������ � �� ���� � ���� *� ����� ��������� � ���� ��� ������� �� � ��������� ������ ��������� � �� ��� ������� ���� ��� ?!��� >6 ��� ��� �� � ���� ������ � �� �� ���� ����� ��� ?� ��� D6� � � �� �� � ������������� � ���D� � ���� �� � ���� ��� ������� �� �� � ����������� ���� � ������ � ��� ����� �� � ����������� �� � ���� ����� �� � � �� ������ �������������� � ������ ? �� �� � ���� ����� �� �� ������� �� ������ ���� +$#-6 �� A< ��� %4)� � ��������� C��� �� � ���������� ������� ������������ �� ����� ��� ������� �� � ��� ������ �� ������� ����� ��� � � �� �� ���� � �������� �� ����� � �� ������ � ������������ �� � ���� ��� ������� �� ������� �� ����� ���� ��� ����� ��� ����� ������2#) �� � ������������ �� � ����� ������� ��� � � ������ ����� ��� � ���� �� � ���� ��� �������

������� �� � ��������� � �� ��� ���� ������ ?���� D6 ��� ����� �� � �� ��� ��������

& �� ��� �1� �� 3���� �� ��� +$#-� �� ����1����� ��� ���� ��� �� � �������� ���� ��������� �� � ����� ������� �� �� �� �� ��� ���� � F� ����� ������ ����� ���� � ���� ��� � �� ��� �1 �� � ������� � �� �� � ��� ������� ��� ������� � ��������� �� � �������� �� � ���������� �� ��� ������� ���;� ��� �� � � ���� ����� ��� � ������ �� ��� ����� ���� ������ �� ������ �� � �� �� �� �������� ������ �� � ��� +<-� � ����� ��� � ������ ������ �� ������� �� ���� �� ���������� �� � ��� ��������� �� ��� � ������ � �� � ��� ��� � ����� � ���� �� ��� �������� �������� ���� ���� �� � �������� ����� ����������

� ��������� �� � ���� ��� ������� ����� � � ��������� �� ���� ������ ����� ������� ��� ���� ����� ������� � ��� �� >�� � 4 ��� %� � ������ �� ��� � ��������� �� ��� ����� � � ���� �� � ���� ��� ������� ��� �� � ������ � ���� �� � ����� ��������� ���� ���� � ���� ������ � � �� ������ ���� +4-�� ������� ���� � ���� ��� ������� ���� ��� ���� ������ ������������� ?! " #�22 �6 ��� ����� �� ������� ������ ? >��� 4�66� � �� � �� � ���� ������ � ����� �� ���� ������� � ���� ������ ����� ������ �� ����� �� ��� >�� ��� ��� � ����� ����� � ���� ������ �� ����� �� ��� >�� >�� �� �� ��� �� � ��� � �� � ���� �� � ���� ��� �������� � ��� ������ ��� �� � ���� ��� � � ���� ������� ��� ��� �� � �� �� ��� � ����� � ������ ������ � ������� � ��� ����� ����� �� � ������ ���������� ��� � ��� +$-�

� >��� 4�6 �� ��� � �� ��� ��� ��� � ����� ������� ������ ���� � ������ ?S$6 � ���� ��� ����������� �� ��� ��� ��� ���� ��� � ��� ����������� �� �������� ���� ���� �� � �� ���� � ����� �� ���� ������ �� ������� ��� � ��*����� �� �� �������� ������� ������ � ������ �� � ������ ���� � ���� ��� � ��� ����� � ������ �� � ����� ���� ��� � ����� �� ������� ������� ���� ����� ����� � �� ������� �� ����� �� � ���� ��� ������� ����� � ��������; � ����� ����� �� � >� ������ � ���� ����

������� ���� �� �� ��������� �� ��� ��� ����� ���������� �� � ������� � ��������� ��� � �� ������ ��� ��������� ?����S$: ��� S2:6� ������ ����� � �������� ��� � ��������������� �� ��� �� � >�� � 4��� % �� ��� � �� � ���� �� � ���� ������ �� � ��� ������ �� �� � �������

� ������ �� � ���� S2�� ��� ������ �� ��� �� � ����S$& ? >��� 4�66� � �� �� �

�+� &% O��� ��� ������� �� � ���� � � �� �

O�� C

������������������

=����� ���������

S, S$ S2 S4

& 2�4 � #�, 2�$ � #�$ 2�, � #�2 7

� 4�$# � #�#2 2�8 � #�4 4�# � #�2 4�# � #�4

! 2�4 � #�2 $�8 � #�2 2�# � #�, $�% � #�,

: 2�% � #�2 2�, � #�, 2�, � #�2 7

D %�, � #�2 %�, � #�$ 4�8 � #�$ 4�( � #�<

> 2�4 � #�2 2�< � #�2 2�$ � #�, 2�2 � #�A

Page 6: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

� ������ �� ����� ���� � ���� ������ ��� � ����� � ������ �� � ������ �� ����� ���� � ���������� ��� � ����� �� � � �� S$&� � � ���������� S2�� �� ��� >�� � ���� ����� ����� ������� �� ����� ������ � ������ ������ � ��� � ������ �� � ���� �������� ��� ��� �� � ��������� S$& � ������ >� �� ��� � ����� ����� ������� �� � ������ � ������ �� � ��� � �� � ���� ��� �� � �� �� �������� � �1 �� � ����� �� � ��������� S2� � ����� ��� �� � ��������� S$& ���� �� � ��� ���� � ����� � ������ ������� ���� � ������� ������� ���� ������ ���� � ���� �������

� ���� �� � ���� ��� ������� �� ��� >� �� ���������� � �� �� ������� ������ ��� ��� � ����� ����� �� ������ ���� � ���� ������ ?S$!6 � � ����� ��� �� � ��������� S$&� S$� ��� S2� ? >��� 4�66� �� � �������� ��� � �� � ���� ��� � ������� ������� ���� ������� �� � ������ �� � ����� ��� ���� ������ � ����� ��� �� � ���� ����� ��� ���� ��� � � �� �� � ��������� S$� ������ ������ �� � ���� ������ �� ������� �� ���� ��������� S$! ������ � ������� �������� ��� � �� ���� �� ���� � ����� ��� �� ��� �� ������ ������ �� ��� � ���� �� � ���� ��� ������� �� � �����������

� �� �� � ���� ���� ������� �� � ����������� � ���� ������ ��� � ����� ��� �� � ������?S2:6 ���� ���� �� � ���� ��� � ����� ����� �� ������� ��������� ��� ���� ������ �� ����� �� �� >����� ? >��� %�66� 9� � ��� ���� � ���� ���� ������� �� � ���� ������ ������������� ��� ������ ��������� ������ ��� � ����� ��� �� � ���� ������� �� � �������� ��������� ? >��� %�66� � �� �� ��� ��� ���� �� >�� ���� ������ �� �� ��� �� � ����������� C�� ����� ��� � >�� � ����� ������ ������ � ��� � ����� ���� ������ ���� � �� �� � ������ ������ � ���� ������� &� ����� �� ���� ���� ������� � ����� & ����� ����� �� � >� ��� � ������ �� � ���� ����� ����� � ���� ������ �� ����� ��� ���� ������ ��� � ���� �� � ������ �� �� >��

&%� ��� �������

0�������� �� � ������ ��������� �� ���� �� ���������� �� � � �� ��� ������� ������������ ���������� � � �������� �� � ���� ����� � ��� �� >�� � <��� A� � ����� ������ ���� �� �'� �� ����� �� ����� ��� ,�%)�

(a) (b)

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Fl

P/P

o M1A

M2A

M3A

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25Fl

P/P

o M1B

M2B

M3BM4B

(c)

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Fl

P/P

o M1CM2CM3CM4C

$����� #% O��� ��� ������� �� � ������ ��������� ��� ! " #�22 �� �6 ���� ������� �6 ���� ������ �� � �� ������ ��� �6 ���� ������� �� ������� ������ �

Page 7: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

!�������� � ��� ������ ����� � �� ��� � �� ������ � ����� �� � �'� �� ���� ���� �� � >� � ������� � �� �� � ��������� � �� ��� �� � >��� A ��� ������ ������� ���� � ������ ��� � ������� ����� ��� � ������� ���� � ������ � �����?�� �6 ��� �66� � ��� � ������ ���� �� >� ���� �������� #�#4� � � � ���� �� �'� �� ������� ��� � ������ �� ����� ���� �������

' # ( ) ��!���� *���������+�� � �++����� * ������

� ��������� �� ����� �� ��������� � �� � ���*�� �� ���� �� ������� ����� � �� �� ����� � ������������ ��� �� �������� +,#�$, $8-� � �� ����� ��������� �������� �� ���� �'� ���� ������� �� ���� ���� � �� �� ������� ��� � ������� ������������������ � �� � �� � ����� �� ���� ���� ?&&D6 �������� ������ ���� ?&/D6 �� �������� ��� �� ������������ �� � ��������� ���� �� � ������� $%# � O��0' � (%# C��2; , ,#72 � �F � % ,#72 �� � �� ��� �� ���� 4�& ��� � �� ���� � ����� ������ ���� �� ���������� ��� � ���� � ����� ��� ,4)� ��� � ����� �������� �� &/D �� �������� �� () ��� ��� ���������� ����� � ���� ����� � �� 3������� �� �� +$%- ��� ������ � �'� ����� �� �� ����� ��� � � � �� � ����� ���� ����� ���

������ �� �������� ���� �������� ��� � �'� ������������� �� �������� � � �������� �� � O��0' ��� �� ���������� ������� �� � ��� � ���� ����� � �� !���� �� �� +2#-�

�'� � �O�

0'

� �&

��F�� ?26

� ���� ������� &� �� ��� �� ��������� �� ��� ��� �� �� ���� ����� �� & " #�4(� � " #�%8 ��� � "#�#2%� ��������� �� ��� �� &&D ��� &/D �� #�##$$ 7,

��� ,,�8)� � �������� & ��� � ������� � ���� �������� ������ �� ��������� �� ���� $)� �������������� �� � ��� �� � ��������� �����

�� �������� ��� � ��� �� !����U �'� ������������ ���� ������� ���� �� � ������� ����� ������� +2,-� �� ����� ���� � �������� ��� ��� � ���� ����� �� ���� ��� ������� �� ���� ����� ��� ����������� �������� � �� �� ���� �� ��� ��� � ������������ ��� � ���� �� � ������ � � � ����� ����������� � �� ����� �� ��� �� �� � +$,�2$�22-�

& � ����� �� ����� � ������� ����� ������ � ����� ������� �� � �� ���� �� ���� ���� �� ������� � ���� ������ �� � ��� ����� ���� ��������� �� ��� ����� �� ������ ������� �� ��������� ��� ���� ���� ������ � ��� �� ������� �� +$-�.����� �� � ����� ��������� �� ���� ����� �� ��

(a) (b)

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Fl

P/P

o M1D

M2D

M3D

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Fl

P/P

o M1E

M2E

M3E

M4E

(c)

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Fl

P/P

o M1FM2FM3FM4F

$����� ,% O��� ��� ������� �� � ������ ��������� ��� ! " #�$% �� �6 ���� ������� �6 ���� ������ �� � �� ������ ��� �6 ���� ������� �� ������� ������ �

Page 8: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

� � ��� ��� �� ������� ���� �������� � �� � �� �� �� ������� ��� �� �� ������� ������� ����� ��� �������� ��� � �� ���� ���� � � � �� � ���������� ? ��������� �� ������� �� ��������� �� ���� ��� �� ���������6 ���� � ����� ����� �� ���� >�� ������ L����+$$- ���������� � �'� ���� � �� ��� �� ������ �� ����

���� ����� ����� ��� ���� � ��� � �'� � � �������� ��� ���� �� ���� ����� ��� � ��������� �� ������������ ������� ��� � ���� �� � ����� ��� =��Y�� ���:���� +$4- ������ ����������� � �� �����

(a)

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Fl

kla

, 1/s

M1A

M2A

M3A

(b)

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Fl

kla

, 1/s

M1B

M2B

M3B

M4B

(c)

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Fl

kla

, 1/s

M1C

M2C

M3C

M4C

$����� -% 9����� �� ���� �� ��������� �� � ������ ��������� ��� !" #�22 �� �6 ���� ������� �6 ���� ������ �� � �� ������ ��� �6 ���������� �� ������� ������ �

(a)

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Fl

kla

, 1/s

M1D

M2D

M3D

(b)

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Fl

kla

, 1/s

M1E

M2E

M3E

M4E

(c)

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Fl

kla

, 1/s

M1F

M2F

M3F

M4F

$����� .% 9����� �� ���� �� ��������� �� � ������ ��������� ��� !" #�$% �� �6 ���� ������� �6 ���� ������ �� � �� ������ ��� �6 ���������� �� ������� ������ �

Page 9: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

���� ��� ��� � �'� � � �������� �� � ���� �� ���� ������ ��� � ��������� �� ���� ���� H���� � ������ �� ����� �� ��� � ���� ��� ��� ��������� ������ �� ��� �� ������� ��� �� � ��� ������� � ��� ���������� �� �� ��� �� �� ������� ���� �� �� 9� � ��� ���� =��Y�� ��� :���� +$4- �� ���� �� �� �� ��� ��� ��� ��� ��������� �� � �� ���������� ������� ��� ��� ���� � ������� �� �'��� � ������ �������� ��������� ���� �������� � ��������� ����� � ���������� ��� ���� �� �� �� � ������ � ������

�'� � O�

0'

� �&

��F�� ?46

�'� � O�

0'

� �&N�

0'

� ��

?%6

� ��� �� �� ����� � ��������� ���� �� �� ��������� � ��� ��� ���� �� � ���� ��� �� ������� �������� � ��������� ��� ��� � ������� ����� ������� ���� �������� � � �������� ������ �� �������������� !����U ���� ������ �� �� � �� �������

�'� � �O�

0'

� �&

��F��H ?<6

�'� � �O�

0'

� �&N�

0'

� ��

H ?A6

H � ��

!:'

�� !:'

��=�:'

� �?(6

� ��������� �� � ������ ������� �� �������� �� ��� �� � �������� ��� ���� ������1��� � �� �� � ���� �� � � ����� �� � 3���� ������ ���������� ������� ���� � ����� �� ���� ������� � ����� ������ ���� �� #�##,% 7, ��� ()� � ��������� �� ��� �� � � ������� �� � ���� �� ��� �� ���� %� &� ����� �� � ������ ������ ����� ��� ��������� � ��� � ���� �6 � ��� ��� �� >��� (�

� ���������� �� ��� � ���� ��������� �� � �� ���� ����� � �� ������� ?� >� �� � �6 �� ��� � ��������� � � ����� �� � ������ ���� �� ������� ���� ������� �� � � ����� �� � ������ ���� ���� � ��������� �� ���� � ��� �� � ����� ��������� �� ���� �� �� ������ ��� ��� � ���� �� >��� ������� ��� >��� ��� � �������� ��� �� 88)�

&%& /�� ������� ����������

� ������ ����� ���� �� �������� ?9�D6 ���� ���� �� � ������ �� � ��� ���� ������ � ���� �������� �� ����

�+� #% �'� �������� ���� ��� ������� ���� �

/���� S��� &&D� , &/D� )

=��� +$2- �' � � #�###,$%:�

� �$�(

>�#�<

/#�A

>�#�4% :

� ��#�%

#�##2, ,4�4

3������� �� �� +$%-

�' � � #�#,%O�

0'

� �#�%8

�#�%%

F#�##$% ,4�$

0� ������ �� �� +$(-

�' � � #�##<$O�

0'

� �#�<<

�#�%,

F#�##2< ,A�,

'��� �� �� +$8- �' � � #�##48%O�

0'

� �#�%82

�#�4

F#�##2( ,A�8

�+� ,% >���� ������� �� � ���������� ������� �

S��� & � � � �

�6 �' � � �O�

0'

� �&

��F ��H

#�42 #�%4 #�#%< 7#�%# #�#A 7#�#(

�6 �' � � �O�

0'

� �&N�

0'

� ��

H#�42 #�%4 #�#$2 7#�%# #�#A 7#�#(

Page 10: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

0,040

0,035 R2 = 0,9243 • •

0,030 ..... • • t/)

0,025 • I • ;:: •• ci • • >< 0,020 G)

ca -' 0,015 ~

~

0,010 • .. 0,005

0,000 -------------------0,000 0,005 0 ,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0 ,035 0 ,040

kt.a est, 1/s

Figure 8. Correlation between experimental and predicted values of kLa by

(p ) "" ... (=~~4)

means of equation k,_ a = 0.056 ~ (u0 ) e .

gen into the liquid phase. The O1E variation is shown as a function of flow number and sparger position in the systems with different impeller configurations in Fig. 9.

In Figs. 9a) and d) it is shown that in the single impeller configuration the small sparger located below the impeller is the most efficient. It is necessary to point out that although Birch and Ahmed [2] reported that in the single impeller configuration at C = 0.33 T the sparger located level with the impeller provides the higher gas holdup. This does not lead to the best oxygen transfer efficiency with the reactor geometry used in this work.

On the other band, in Figs. 9b) and c) it can be observed that for weak values of the FI the sparger configuration located between the impellers is the most efficient for the configurations with dual impellers located at C = 0.33 T. This phenomenon is more evident in the configuration with both impellers of different diameters.

In order to compare in a general way the different impel­ler configurations with regard to the OTE, the values of the OTE obtained with ail the sparger configurations for each impeller configuration were averaged (see Fig. 10).

As can be noticed, the impeller configuration F with C = 0.25 Twhere the impellers have different diameters was the most effective for transferring oxygen through the gas/liquid interface per unit of power consumed.

In the same way, to determine the most efficient sparger configuration, the values of the O1E obtained with ail the impeller configurations for each sparger configuration were averaged (see Fig. 11).

As can be observed in the figure, in general, the configura­tion with the sparger of smaller diameter located below the lower impeller was the most efficient among ail the impeller configurations.

3.3.1 Overall Transfer Efficiency Modeling

Bouaifi and Roustan [10] proposed a mode! to estimate the O1E similar to the one used by Cooper et al. [30] to esti­mate the volumetric mass transfer coefficient:

(9)

Evaluating the prediction capacity of the mode! with our experimental data, an AAE and an ARE of 0.13 kgO:zfkWh and 15 % were obtained respectively. It is necessary to point out that the liquid height (H = 2 T) and the range of super­ficial gas velocity (5.4 10-3 ~ v0 ~ 18 10-3 m.s-1) used by Bouaifi and Roustan [10] in their experiments were higher than those used in this study. The correlation of the experi­mental data with the mode! improved the fit an AAE of 0.10 kgO:z/kW h and an ARE of 12 %. Taking this into ac­count, the mode! was modified introducing a coefficient that considers the effect of the impeller-sparger geometry:

OTE= c11ü3 ( ~) AI (v0 )81 Kl (10)

where

(h..f..+~) Kl = exp °'- L (11)

In this case, the AAE was 0.07 kgO:z/kW h and the ARE 9 % . The determination of the coefficients and the analysis of the significance were done in the same way described pre­viously for the kLa mode!. It is necessary to point out that from this analysis the coefficient of the parameter IC/DL is not significant. The coefficients of the two models are shown in Tab. 6. The agreement between the experimental and cal­culated data is presented in Fig. 12.

4 Conclusions

The impeller configuration with an upper turbine smaller than the lower one could have a practical use due to the bet­ter distribution of the power drawn in the bulk reactor vol­ume, without a dramatic increase in the power demand.

Experimental results show that the greatest values of the overall mass transfer coefficient in the different impeller configurations studied were obtained at low gas flow rates for the sparger with the ring diameter smaller than the impeller diameter and positioned below the impeller. An exception was the impeller configuration with impeller of different diameters located at C = IC = 0.33, for which the arrangement of the smaller sparger located between the impellers was the best one. On the other band, it was stated that at higher gas flow rates the biggest values of ~ a are obtained with the spargers of large ring diameter.

Page 11: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

(a) (b)

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07Fl

O. T

. E.,

kg

O2/

kW

h

M1A M2A M3A

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07Fl

O.T

.E.,

kg

O2/

kW

h

M1B M2B

M3B M4B

(c) (d)

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Fl

O.T

. E.,

kg

O2/

kW

h

M1C M2C

M3C M4C

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Fl

O.T

.E.,

kg

O2/

kW

h

M1D M2D M3D

(e) (f)

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Fl

O.T

.E. ,

kg

O2/

kW

h

M1E M2E

M3E M4E

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Fl

O.T

.E.,

kg

O2/

kW

h

M1F M2F

M3F M4F

$����� 1% 9�D ��� � ��������� ������ ������������� Q ��� ! " #�22 � ?�6 ���� ������� �6 ���� ������ �� � �� ������ ��� �6 ���� ������ ��������� ������ 6 ��� ��� ! " #�$% � ?�6 ���� ������� 6 ���� ������ �� � �� ������ ��� �6 ���� ������ �� ������� ������ 6�

Page 12: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

2,2

2,0

1,8

1,6

~ 1,4 ,. ~ 1,2

"' ~ 1,0

8 0,8

0,6

0,4

0,2

0 0,0 1 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 A

Figure 10. 01E averaged in regard to sparger configurations for each impel­ler configuration.

2,4

2,0

s:. 1,6 ;i: ,.

~ 1,2 ,. u.i >-: O 0,8

0,4

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

A

Figure IL OveraU oxygen transfer efficiency averaged in regard to impeUer configurations for each sparger configuration.

1\vo new models to estimate the kLa and the overall oxy­gen transfer efficiency were proposed, which take the reac­tor operating conditions and the influence of the impeller­sparger geometry into account. The models allow to esti­mate the kLa and the overall oxygen transfer efficiency with an average relative error of 8 and 9 %, respectively.

Table 6. Fitted parameters of the correlation equations.

Mode! A l Bl c,

3,0

2,5 R2 = 0,952

2,0 Q. >< Q)

1,5 uJ 1-0

1,0

0,5

0,0 0,0 0,5 1,0

• ... 'I ..

1,5

OTE cal

2,0

• \

2,5 3,0

Figure 12. Correlation between experimental and predicted values of 01E by

p -455 o.a -(o.~ ~~) means of equation OTE = l.57xl0' ( v;:-) (u0 ) e 1

The results show that, in the studied range of gas flow rates, the most efficient impeller-sparger arrangement for the oxygen transfer is the impeller system with turbines of different diameters located at C = 0.25 and IC = 0.5 with the small diameter sparger settled below the lower impeller. Other arrangements could have other interesting capabili­ties, for example, a larger capacity of gas dispersion, which could allow to work at higher gas flow rates without flood­ing. This point will be verified in further work.

Acknowledgements

DGC would like to acknowledge ALFA program project for the award of the fellowship that made this work possible.

Received: October 27, 2003 (CET 1965)

Symbols used

A, Al , B, Bl, f,g, h [] model exponents, dimensionless

h g

a) Coefficients obtained by Bouaifi and Roustan (10)

(p f --0.50 0.60 773 - -01E = c, V~ (u0 J8'

Coefficients obtained ùt this study

--0.54 0.54 798 - -

b) --0.55 0.56 1.57 --0.10 --0.46

(p f 01E = c, 10' V~ (u0 i9'K1

Page 13: Effect of Dual Impeller-Sparger Geometry on the Hydrodynamics … · 2019-02-22 · Garcia Cortes, Daniel Ajax and Xuereb, Catherine and Taillandier, Patricia and Jauregui Haza, Ulises

! +�- ������� �� � ������ ���� ����� ������

!� +�� �72- ���������� ������������ �� ������ �� ���� �� ����

�� �,� H� H, + - ���� ��������� � ���� ���� !�� +�� �72- ����� ������������ �� � �����

�� !' +�� �72- ����� ������������ �� � ������

�� !'� +�� �72- ����� ������������ �� ���

����������� ��� � ����� ����: +�- ������ ������>��� + - ��������� >� � ���������

���� ���� >��� + - �������� >� � ���������

���� ���� >� + - ���� ����� " N��3:2�

���� ���� . +�- ����� ��� ! +�- ������� ���� ������ �'� + 7,- ��������� �� ���� �� ���������� + - ��������� ���������� ���� ���� 3� + - ������ ���� ������

���� ���� O�� O +C- ���� ��� ������� ���� �� �

��������� O� +C- ���� � ���� ��� �������N� +�2 7,- ��������� �� ���� ���� +�- ������ �������� ����� / + - /����� ����� " �3:$���

���� ���� = +�- ������� ���� � ���� ������ ��

� �����=� +�- ����� ������� + - ���� +�- ���� � � ������0' +�2- ������ ����� �� � � �1 +�- ��� ���� � ������ ������

����/ �������

� + - � ��� ��� �� � ����� �����F +� 7,- ��������� �� �������� +�� �72- �� ���

0�����&��

,�$ ���� �� ��� ������ � � �������' ����

1����-���� ��

&&D ����� �� ���� ����&/D ����� ������ ����9�D ������ ���� �� ��������

'���������

+,- L� S� =���� �� *�2��� + 3�4���� �. *������� 1������ � ?D� Q L� L�K������ F� H� O���� ��6� F����� ��� ���� =���� O���� � �3� E��� �10,�

+$- :� ����� 3� &��� ���! "�� 5�� ��� �11.4 $67168� 4(A�+2- L� &� /����0����1� D� F������� '� =������!���Z�� �� &� "��

�"""� #'9 4#2�+4- &� C� 3����� '� .������ C� .��1���� H� 0� &�� ����� :� !������

0� .������� �� �� + ��� #�� :�� � �+ � �� ���� � %���� �.��!���!�������� KH� =�� $,7$2� �100� ,%8�

+%- 0� &������� F� /����� =� =������� F� ������ /� !����� �� �� + ��� ;��"�� � �+ � *�2���� O����� ����� �./& >���� D���� !��������D������ �1004 2$8�

+<- 0� .������� 0� S����� &� C� 3����� �� ��� �� ��� �1014 '<� <,A�+A- /��0� /����� S� F����� ���� ���� � :�� ���! )��� �11#4 ##� (A�+(- L� S� �� 0� ������ � =� &�� � &� C� 3����� C� ��*�� ���� ��� � ���!

"�� �1104 $;� 288�+8- /� H����� &� C� 3����� �� �� + ��� <�� "�� � �+ � *�2����

3������*������ � 3������ � &���� $A7$8� �10�4 $4A�+,#- S� �������� S� /�� ���� ��� � ���! "�� �110� $;7'8� 28#�+,,- H� /�������� H� !� '� =� S� =� S������� S� E���� �� � 1:��"

� �11-� <#7#8� 22$�+,$- 0� S����� L� 0���� 0� .�����M� �� �� + ��� ;�� "�� � �+ �

*�2���� O����� ����� �./& >���� D��� !�������� D������� �100� 2%,�+,2- 0� '���� O� ��[� >� .������� �� ��� �� ��� �10�� #'� 2#,�+,4- S� S� '�� � >�������� O� .� !��������� ���! "�� 0� �1.1� '<�

,222�+,%- &� ������ .����������� �� =����� F� �'����� :� �� ��� � �� �

������� :��� K���� ��� �� ��������� � 3������ � �11��+,<- �� &���� ��� >� S�������� �� ��!��� "���������� ��� �� ���� � �.

����� /� $�� ��� S� =������� O� � 3� E��� �111�+,A- 0� =��Y��� C� :� :����� �� �� + ��� '�� :�� � �+ � �� ���� �

��� �� &� ��� %���� �.��!��� !�������� KH� �11&� ,,A�+,(- 0� &������� F� /����� F� ������ =� =������� /� !����� ���! "�� 5��

��� �11"� ;=� %,<�+,8- >� !������ /� F���������� '� S����� /� !����� �� �� + ��� $�� "��

� �+ � *�2���� ���� � ������� =�� ,(7$#� �11�� 222�+$#- &� C� 3����� S� S� !� F� C���� ����� L� S� =���� S� H���� ��

�� + ��� 6�� "�� *�2��� � �+ � F�����; �./& >���� D���������!�������� �10,� ,42�

+$,- H� 0��U� /��� :�� "�� ���! �� ��� ��- �1.1� (=7'8� 2%A�+$$- .� L����� ��� ���! "�� �10�� 6� 2%A�+$2- L� S� =���� �� �� + ��� $�� "�� � �+ � *�2���� ���� � �������

/���� >��� =����� �� D����� � ������� O��� � �11�� $22�+$4- 0� =��Y��� C� :� :����� �� �� + ��� '�� :�� � �+ � �� ���� �

��� �� &� ��� %���� �.��!��� !�������� KH� �11&� ,,A�+$%- S� 3�������� :� >�*��� F� O� ������ >� S������ :�� "�� ���! 5��

�11&� '#� ,8�+$<- 0� '���� �� S����� L� =������ ���! "�� 0� �11-� 6(7(#8� 2$#2�+$A- .� C�� 0� &������ S� &� S����� �� ���! "�� 0� �110� 6'768� ,#(8�+$(- L� S� �� 0� ������ � =� !� O� 9������ &� S� &�� >� /������1� =� =�

&�� � :�� "�� ���! 5�� �"""� '>7(8� $#2�+$8- 0� '���� 0� 0���� O� ��[� ���! "�� � �10.� '<� ,,�+2#- !� S� !����� F� &� >�� ����� =� &� S����� :�� "�� ���! �1##� ';�

%#4�+2,- S� S�� �� S� O���� � ���! ��� �� ���� � �100� <#� ,8A�+2$- \� :� !�� L� L� !�� ���! "�� 5�� ��� �111� $$� ,#4�+22- E� \�� O� !� �������������� L� C�� '�� :�� 0.!& � *�2��� ��

:��������� �� ������ L����� �111� 2(8�