Fatti a portata di mano: dispersione di gas nei liquidi

1 settembre 2022 | Di Scott Jenkins, rivista di ingegneria chimica

L'iniezione di gas in un liquido attraverso un diffusore è un aspetto importante di molte operazioni nelle industrie di processo chimico (CPI). Applicazioni importanti includono la dissoluzione dei gas reagenti in una fase liquida per ulteriori reazioni (come nell'idrogenazione, ossidazione, ozonizzazione), nonché la carbonatazione delle bevande, la stimolazione dei processi di fermentazione (Figura 1), l'aerazione delle acque reflue per il trattamento, lo strippaggio dell'aria o ossigeno da sostanze chimiche, rimozione di composti organici volatili (COV) da sostanze chimiche liquide, rimozione di umidità da combustibili e altro. Questo riferimento di una pagina fornisce informazioni sugli aspetti chiave della diffusione del gas nei liquidi, tra cui la velocità di trasferimento di massa, gli effetti dell'agitazione e la selezione delle apparecchiature.

FIGURA 1. In un esempio di applicazione di spruzzatura del gas, una barra diffusore sul fondo del serbatoio rilascia ossigeno per stimolare un processo di fermentazione

Lo scopo principale di un sistema di sparging è aumentare l'efficienza del trasferimento di massa gas-liquido (un rapporto tra la quantità di componente di gas attivo disciolto nel liquido e la quantità di gas iniettato). Una bassa efficienza di trasporto di massa porta a un tasso elevato di iniezione del gas. In questo caso, l’aumento del volume di gas aumenta il costo per ottenere i risultati desiderati. L'efficienza del trasferimento di massa da gas a liquido è controllata principalmente dalla resistenza al trasferimento di massa della fase liquida.

Il trasferimento di massa rapido ed efficiente è correlato alla propagazione di bolle fini, che aumenta la superficie del gas a contatto con il liquido.

I materiali ceramici o metallici porosi ingegnerizzati creano bolle fini in base ai requisiti dell'applicazione. I materiali porosi consentono il passaggio di grandi volumi di gas con un'area specifica molto elevata. Ad esempio, con uguali volumi di gas, le bolle da 1 mm avrebbero una superficie di contatto gas-liquido 6,35 volte maggiore rispetto alle bolle da 6,35 mm (1/4 pollice) [2].

La velocità di trasferimento di massa da gas a liquido per unità di volume viene calcolata utilizzando: KLa(C* – C), dove KL è il coefficiente di trasferimento di massa della fase liquida che dipende dalla diffusività, dalla viscosità del liquido, dalla temperatura e dalla miscelazione ; a è l'area interfacciale delle bolle di gas a contatto con il liquido; C* è la concentrazione satura del gas nel liquido; e C è la concentrazione nel liquido sfuso.

Inserendo nel liquido piccole bolle di gas con un elevato rapporto superficie-volume, l'area interfacciale a viene aumentata e la velocità di trasferimento di massa del gas viene migliorata. Anche la forza motrice del trasferimento di massa (C* – C) ha un grande impatto sulla velocità di dissoluzione del gas, poiché viene utilizzato il gas ad elevata purezza invece del gas a purezza inferiore. Ad esempio, la concentrazione satura di ossigeno nell'acqua derivante dall'ossigeno puro è cinque volte superiore a quella dell'aria, con conseguente notevole aumento del tasso di dissoluzione dell'ossigeno con ossigeno puro.

Gli spruzzatori vengono scelti in base alla progettazione e alle condizioni operative del processo. Il tipo e la configurazione dello spruzzatore utilizzato dipendono da fattori quali se il processo è un processo continuo o batch, nonché dalla portata del gas, dalle dimensioni del serbatoio, dall'agitazione meccanica, dal funzionamento pressione e temperatura.

Materiali di costruzione. Gli erogatori in metallo vengono utilizzati in condizioni di alta temperatura, corrosive o ossidanti, mentre gli erogatori in ceramica sono sufficienti per condizioni blande.

Velocità di uscita del gas. La velocità di uscita del gas sulla superficie dello sparger è un importante criterio di progettazione per la selezione dello sparger. La portata volumetrica effettiva del gas per la velocità di uscita viene calcolata utilizzando la pressione (P), ovvero la somma della pressione dello spazio di testa del serbatoio (PHeadspace), della pressione della testa del liquido sullo sparger (PLiquid) e della caduta di pressione attraverso l'elemento dello sparger (ΔP). L'area minima della superficie dello sparger si basa sul limite della velocità di uscita del gas per il processo.

Il limite di velocità di uscita è più basso per l'operazione di sparging statico quando non è presente agitazione meccanica della fase liquida. Per lo sparging di serbatoi agitati e lo sparging dinamico, dove il liquido ha un'elevata velocità forzata lungo la superficie dello sparger, i limiti della velocità di uscita del gas sono significativamente più alti, richiedendo sparger più piccoli per lo stesso flusso di gas. Il limite della velocità di uscita per lo sparging del serbatoio agitato e lo sparging dinamico dipende rispettivamente dalla velocità della girante e dalla velocità del liquido.