Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Transport phenomena of bubbles ina high viscous fluid
F. PigeonneauSurface du Verre et Interfaces, UMR 125
CNRS/Saint-Gobain, Aubervilliers (France)
Presented at the COMSOL Conference 2010 Paris
Industrial context
u Glass melting is a chemical process :
SiO2 + CaCO3 + Na2CO3 ⇒ SiO2 · CaO · Na2O+CO2.
u Large production of CO2 : 0.2 kg of CO2 per kg of glass.
u Low solubility of CO2 ⇒ large quantity of bubbles in moltenglass.
u Introduction of “fining” species leads to the bubble removalat high temperature (1450 ◦C).
Industrial context
u Glass melting is a chemical process :
SiO2 + CaCO3 + Na2CO3 ⇒ SiO2 · CaO · Na2O+CO2.
u Large production of CO2 : 0.2 kg of CO2 per kg of glass.
u Low solubility of CO2 ⇒ large quantity of bubbles in moltenglass.
u Introduction of “fining” species leads to the bubble removalat high temperature (1450 ◦C).
The mass transfer between bubbles and moltenglass is essential in glass melting
Industrial context
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
crown
burners
raw mat.foam hot spot
cold spot
electrodethroat
bathFig. 1 : Sketch of furnace.
Outline
1. Main features of mass transfer between a bubble andmolten glass
2. Experimental study of the shrinkage of O2 bubble
3. Determination of the Sherwood number for O2
4. Modeling of the shrinkage of O2 bubble
1. Main features of mass transfer between a bubbleand molten glass
molten glass
CO2 : raw mat.
02, SO2 : fining agents
H2O, N2 : atmosphere
1. Main features of mass transfer between a bubbleand molten glass
molten glass
CO2 : raw mat.
02, SO2 : fining agents
H2O, N2 : atmosphere
Mass transfer with a multicomponent bubble.
1. Main features of mass transfer between a bubbleand molten glass
u At 1500 ◦C, for a bubble radius of 1 mm, the Reynoldsnumber is 10−3.
u Due to low diffusion coefficient, the Péclet number isgreater than 103.
Fig. 2 : O2 concentration around a rising bubble at Pe = 103, Comsol,Multiphysicsr 3.5.
1. Main features of mass transfer between a bubbleand molten glass
u At 1500 ◦C, for a bubble radius of 1 mm, the Reynoldsnumber is 10−3.
u Due to low diffusion coefficient, the Péclet number isgreater than 103.
Fig. 2 : O2 concentration around a rising bubble at Pe = 103, Comsol,Multiphysicsr 3.5.
Mass transfer is mainly driven by advection.
1. Main features of mass transfer between a bubbleand molten glass
u Iron is the major transition metal present in glass :uNaturally present in mineral elements used as rawmaterials ;
uAdded to change the optical properties of glass.uIron content : [0.01; 5] wt %.
u Iron undergoes the following oxidation-reduction reaction :
Fe3+ +12
O2− Fe2+ +
14
O2. (1)
1. Main features of mass transfer between a bubbleand molten glass
u Iron is the major transition metal present in glass :uNaturally present in mineral elements used as rawmaterials ;
uAdded to change the optical properties of glass.uIron content : [0.01; 5] wt %.
u Iron undergoes the following oxidation-reduction reaction :
Fe3+ +12
O2− Fe2+ +
14
O2. (1)
The transport of O2 is also controlled by iron.
2. Experimental study of the shrinkage of O2 bubbleExperimental set-up
top view
crucible
crucible
furnacefront view
silica tube
glass
silica window
vide
oca
m.
Fig. 3 : Sketch of the laboratory furnace.
(a) the bubble formation (b) a rising bubble
Fig. 4 : Photographs of the bubble in theexperiment.
uTo increase the residence time of a bubble, it is trapped and transferedwith a silica tube (“Shuttle method”)1.
uThe bubble size is determined by a counting of pixels.
1J. Kloužek, and L. Nemec (2003) Ceramics 47, 155-161.
2. Experimental study of the shrinkage of O2 bubbleStudied glasses
u Two glasses are studied based on the same composition(flat glass).
u Only, the iron content changes :uGlass 1 : 0.03 wt % of iron ;uGlass 2 : 0.11 wt % of iron.
u No sulfate ⇒ very low concentration of SO2.
2. Experimental study of the shrinkage of O2 bubble
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
a/a0
t (s)
Glass 1, a0 = 1 mmGlass 2, a0 = 1.3 mm
Fig. 5 : Bubble size vs. t with glasses at low and high iron content obtained atT = 1400 ◦C.
3. Determination of the Sherwood number for O2Present model
u Sherwood number for 02 ⇒ solve theadvection/diffusion/reaction equation :
DCO2
Dt= DO2∇
2CO2 + rO2 . (2)
u Assumptions :uThe flow around the bubble is in the Stokes regime.uInterface between the bubble and glass is fully mobile2.uOxidation-reduction reaction of iron oxide is in chemicalequilibrium.
uDiffusion of iron is assumed very low.
rO2 = − CFeKFe
16C3/4O2
(KFe + C1/4O2
)2
DCO2
Dt. (3)
2 E. J. Hornyak & M. C. Weinberg (1984) J. Am. Ceram. Soc. 67, C244-C246.
3. Determination of the Sherwood number for O2Present model
u Four dimensionless numbers are involved :
Pe =2aVT
DO2
, (4)
Sa =C∞
O2
CSO2
. (5)
NFe =C∞
Fe2+(1 −R∞)Sa1/4
16CSO2
, (6)
R∞ =C∞
Fe2+
C∞
Fe2++ C∞
Fe3+
. (7)
u The problem is solved by two methods :uBoundary layer theory for large Péclet number.uA full numerical method developed in Comsol,Multiphysicsr 3.5.
3F. Pigeonneau (2009) Chem. Eng. Sci., 64(13), 3120-3129.
3. Determination of the Sherwood number for O2Effect of iron content
100
101
102
103
10410
0
101
102
Pe
Sh
without reactionCFe=0.01 weight %CFe=0.05 weight %CFe=0.1 weight %CFe=0.2 weight %CFe=0.3 weight %
Boundary layer sol.
Fig. 6 : Sherwood number versus Péclet number at T = 1500 ◦C, R∞
= 0.2.
3. Determination of the Sherwood number for O2Effect of iron content
100
101
102
103
10410
0
101
102
Pe
Sh
without reactionCFe=0.01 weight %CFe=0.05 weight %CFe=0.1 weight %CFe=0.2 weight %CFe=0.3 weight %
Boundary layer sol.
Fig. 6 : Sherwood number versus Péclet number at T = 1500 ◦C, R∞
= 0.2.
Enhancement of mass transfer coefficient dueto the chemical reaction for all values of Pe.
4. Modeling of the shrinkage of O2 bubble
u The bubble size changes due to the mass transfer ofvarious species :
dni
dt= 2πaShiDi(C
∞
i − CSi ), (8)
CSi = LiP
βii , (9)
3RTNg∑
i=1
ni
4πa3 = P0 + ρg(H − z) +2σ
a, (10)
dzdt
= VT . (11)
u Equation system solved by a fourth-order Runge-Kuttamethod.
4. Modeling of the shrinkage of O2 bubbleComparison of various Sherwood numbers
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500t (s)
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
a (mm)
Exp. dataNum. sol., Sh ∝ 3
√Pe
Fig. 7 : a versus time obtained for the glass 1 (low iron content) at T = 1400◦C.
4. Modeling of the shrinkage of O2 bubbleComparison of various Sherwood numbers
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500t (s)
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
a (mm)
Exp. dataNum. sol., Sh ∝ 3
√Pe
Num. sol., Sh ∝√
Pe
Fig. 7 : a versus time obtained for the glass 1 (low iron content) at T = 1400◦C.
4. Modeling of the shrinkage of O2 bubbleComparison of various Sherwood numbers
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500t (s)
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
a (mm)
Exp. dataNum. sol., Sh ∝ 3
√Pe
Num. sol., Sh ∝√
PeNum. sol., present model
Fig. 7 : a versus time obtained for the glass 1 (low iron content) at T = 1400◦C.
4. Modeling of the shrinkage of O2 bubbleComparison of various Sherwood numbers
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500t (s)
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
a (mm)
Exp. dataNum. sol., Sh ∝ 3
√Pe
Num. sol., Sh ∝√
PeNum. sol., present model
Fig. 7 : a versus time obtained for the glass 1 (low iron content) at T = 1400◦C.
The relevance of oxidation-reduction reaction ofiron is clearly established.
4. Modeling of the shrinkage of O2 bubbleEffect of iron content
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
a/a0
t (s)
Glass 1Glass 2
Fig. 8 : Bubble size vs. time for the two glasses, at T = 1400 ◦C.
4. Modeling of the shrinkage of O2 bubbleEffect of iron content4
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
a/a0
t (s)
Glass 1, exp. res.Glass 2, exp. res.Glass 1, num. res.Glass 2, num. res.
Fig. 8 : Bubble size vs. time for the two glasses, at T = 1400 ◦C.
4. Modeling of the shrinkage of O2 bubbleEffect of iron content4
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
a/a0
t (s)
Glass 1, exp. res.Glass 2, exp. res.Glass 1, num. res.Glass 2, num. res.
Fig. 8 : Bubble size vs. time for the two glasses, at T = 1400 ◦C.
Results obtained without data fitting.4F. Pigeonneau, D. Martin & O. Mario (2010) Chem. Eng. Sci., 65(10),
3158-3168.
Conclusion & perspectives
u Determination of a Sherwood number taking into accountthe redox reaction of iron oxides.
u The experimental results obtained with two iron contentsare well reproduced with the proposed model :
uThe larger the reduced iron content, the larger theshrinkage of the O2 bubble.
u Perspectives :u Development of numerical model to study mass transfer
interaction between molten glass and a large bubblepopulation (bubbly flow model).
u Bubble motion in a crucible (Level-set model).