Development and Validation of Efficient Multifluid and Population Balance Models for Dispersed Gas-Liquid Processes
- Reactive multiphase systems, in which at least one phase is dispersed, are ubiquitous in chemical and biotechnological processes. The complexity of these systems, involving multiple interacting phases and a wide range of process conditions, presents significant challenges to experimental analysis alone. Consequently, there is a need for reliable and computationally efficient models to predict system behavior, optimize reactor design, and facilitate process scale-up from laboratory to production scale. This thesis develops and validates novel models for three reactor types: jet loop reactors (JLRs), bubble columns (BCs), and stirred tank reactors (STRs). For JLRs, a one-dimensional momentum balance model was developed that allows local resolution of key process variables. This model revealed significant effects of gas consumption on internal circulation and reactor performance. For BCs, a one-dimensional multifluid population balance model (MPB) was developed. The model accurately predicts gas holdup and the bubble size distribution using a one-point calibration. The prediction performance was evaluated on the basis of new experimental data encompassing the variation of gas and liquid fluxes, design of gas sparger, liquid holdup and liquid composition. However, limitations are apparent at higher gas and liquid fluxes. The thesis also addresses converting a number-based population balance equation (PBE) to a mass-based PBE, introducing a mass transfer term that enhances the understanding of the conservation properties of the PBE. Finally, the MPB was applied to a non-reactive semi-batch STR. A newly proposed finite volume method with Gauss quadrature (FVMG) was found to be fast, robust, and accurate compared to other numerical methods. In a parameter and sensitivity study, most trends from the literature could be confirmed. Preliminary experimental validation showed good agreement with simulation results, although further work is needed to generalize the model. The models developed offer computationally efficient tools for extensive parameter studies, enhancing the understanding of dispersed multiphase reactive processes, essential for reactor design and optimization.
- Reaktive Mehrphasensysteme, bei denen mindestens eine Phase dispergiert ist, sind in chemischen und biotechnologischen Prozessen weit verbreitet. Die Komplexität dieser Systeme, die mehrere interagierende Phasen und eine Vielzahl von Prozessbedingungen umfasst, stellt eine große Herausforderung für die experimentelle Analyse dar. Daher besteht ein Bedarf an zuverlässigen und rechnerisch effizienten Modellen, um das Systemverhalten vorherzusagen, die Reaktorkonstruktion zu optimieren und die Prozessskalierung vom Labor- auf den Produktionsmaßstab zu erleichtern. In dieser Arbeit werden solche Modelle für drei Reaktortypen entwickelt und validiert: Strahlschlaufenreaktoren (JLRs), Blasensäulen (BCs) und Rührkesselreaktoren (STRs). Für JLRs wurde ein eindimensionales Impulsbilanzmodell entwickelt, das eine lokale Auflösung der wichtigsten Prozessvariablen ermöglicht. Dieses Modell zeigte signifikante Auswirkungen einer gasverbrauchenden Reaktion auf die interne Zirkulation und die Reaktorleistung. Für Blasensäulen wurde ein eindimensionales Multifluid-Populationsbilanzmodell (MPB) entwickelt. Das Modell ermöglicht eine effektive und genaue Vorhersage des Gasanteils und der Blasengrößenverteilung mithilfe einer Ein-Punkt- Kalibrierung. Die Vorhersagekraft wurde anhand neuer experimenteller Daten bewertet, die die Variation von Gas- und Flüssigkeitsströmen, des Designs des Gasverteilers, des Flüssigkeitsanteils und der Flüssigkeitszusammensetzung umfassten. Allerdings zeigen sich Einschränkungen bei höheren Gas- und Flüssigkeitsströmen. Darüber hinaus befasst sich diese Arbeit mit der Transformation einer anzahlbasierten Populationsbilanzgleichung (PBE) in eine massenbasierte PBE, wobei ein Massentransfer-Term eingeführt wurde, der das Verständnis der Erhaltungseigenschaften der PBE verbessert. Schließlich wurde das MPB auf einen nicht-reaktiven semi-batch STR angewendet. Eine neu vorgeschlagene Finite Volumen Methode mit Gauss-Quadratur (FVMG) erwies sich im Vergleich zu anderen numerischen Methoden als schnell, robust und genau. In einer Parameter- und Sensitivitätsstudie konnten die meisten Trends aus der Literatur bestätigt werden. Eine vorläufige experimentelle Validierung zeigte eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen, obwohl weitere Arbeiten erforderlich sind, um das Modell zu verallgemeinern. Die entwickelten Modelle bieten rechnerisch effiziente Werkzeuge für umfangreiche Parameterstudien und verbessern das Verständnis von dispergierten mehrphasigen reaktiven Prozessen, welches für die Reaktorkonstruktion und -optimierung unerlässlich ist.
Author: | Ferdinand BreitORCiD |
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URN: | urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-86523 |
DOI: | https://doi.org/10.26204/KLUEDO/8652 |
ISBN: | 978-3-95974-237-5 |
Series (Serial Number): | Scientific Reports Series / Laboratory of Reaction and Fluid Process Engineering (3) |
Advisor: | Erik von Harbou |
Document Type: | Doctoral Thesis |
Cumulative document: | No |
Language of publication: | English |
Date of Publication (online): | 2025/01/23 |
Year of first Publication: | 2024 |
Publishing Institution: | Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau |
Granting Institution: | Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau |
Acceptance Date of the Thesis: | 2024/11/15 |
Date of the Publication (Server): | 2025/01/24 |
Tag: | Bubble Column Chemical Reactor; Jet Loop Reactor; Multiphase; Population Balance Equation; Stirred Tank Reactor |
Page Number: | VIII, 199 |
Faculties / Organisational entities: | Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik |
DDC-Cassification: | 6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 660 Technische Chemie |
Licence (German): |