Vorteks mikserler: Gaz ve gaz-katı karışma için yeni stratejiler

Endüstriyel açıdan önemli kimyasal reaksiyonların çoğu gazların tek başına veya katı katalizör partikülleri varlığında karışmasını içermektedir. Katalizör aktivitesine ek olarak, reaktörün performansı akış hidrodinamiklerine bağlıdır. Reaksiyonun verimliliği ve güvenliği açısından verimli karışmanın elde edilmesi de çok önemlidir. Gazların hızlı karışmasının gerekli olduğu tek faz endüstriyel reaktörler verimsiz karışmadan kötü etkilenirken, akışkan yatak reaktörler sıcak nokta oluşumu ve düşük verimliliğe sebep olan kanallaşma veya kümeleşme gibi homojen olmayan akış rejimlerinden kötü etkilenmektedir. İki veya daha fazla teğetsel zıt jet ve silindirik bir karışma çemberinden oluşan vorteks mikserler, jetlerin yakınında oluşan dönen vorteks hareketi ve hortum benzeri bir eksen etrafında dönen akışla karakterize edilmektedir. Bu reaktörler ile hem tek faz hem de çok fazlı akışlarda hızlı ve verimli karışma sağlanabilmektedir. Bu tez kapsamında vorteks mikserdeki gaz akış hidrodinamikleri ve gaz-katı akış hidrodinamikleri iki bölümde çalışılmıştır. İlk bölümde, sunulan vorteks mikserde gazların akış hidrodinamiği, akış görüntüleme ve parçacık görüntülemeli hız ölçüm (PIV) tekniği kullanılarak Reynolds (𝑅𝑒) sayısı 20'den 280'e kadar olan bölgesi için araştırılmıştır. Teğetsel jetlerden gönderilen iki gaz akışının akış rejimi geçişleri, akışın kritik 𝑅𝑒 sayısının belirlenmesi ile analiz edilmiştir. Metan gazı kullanılarak gerçekleştirilen gaz akış hidrodinamiği deneylerinde girdap hareketi 𝑅𝑒 = 70'te, akıştaki düzensiz hareketler ise 𝑅𝑒 = 230 civarlarında oluşmaktadır. Bu bölgeye kadar, çember içerisindeki gaz karışma hidrodinamiği difüzyon mekanizması kontrollüdür. 𝑅𝑒 = 230'dan sonra kararsız yutulma akış rejimi oluşmakta ve taşınım (konveksiyon) mekanizması moleküler difüzyonu bastırmaktadır. Gazların fiziksel özelliklerinin akış hidrodinamiği ve kararsızlığın başlangıcı üzerindeki etkisini değerlendirmek için, viskozite ve yoğunluk farklılıklarından dolayı hidrojen, azot ve argon gazları seçilmiştir. Gazların çember içinde tam bir dönüş yaptığı akışın ilk kritik noktasının dinamik basınç olarak da tanımlanabilen atalet kuvvetlerine bağlı olduğu bulunmuştur. En yüksek kinematik viskoziteye sahip hidrojen akışı 𝑅𝑒 = 40'ta, azot ve argon gazları ise 𝑅𝑒 = 70'te tam dönüş hareketi göstermektedir. Bu noktalardan sonra, merkezkaç ve merkezcil kuvvetler arasındaki dengenin sonucu olarak sürekli halde bir dönen akış oluşumu gözlemlenmiştir. Benzer şekilde, kararsız yutulma rejiminin başlangıcı hidrojen akışı için 𝑅𝑒 = 150'de, azot için 𝑅𝑒 = 200'de ve argon için 𝑅𝑒 = 220'de oluşmuştur. Bu çalışma, gaz özelliklerinin sadece kritik noktalarda değil, aynı zamanda vorteks mikserde oluşan girdaplı akış modelinin şekli üzerinde de etkili parametreler olduğunu göstermektedir. Farklı gazların gaz akış hidrodinamiği, farklı 𝑅𝑒 sayılarında argon ile farklı gazların - hidrojen ve azotun- karışmasını, her bir jeti farklı bir gazla besleyerek araştırılmıştır. Akışın ilk kritik noktası Ar/H2 ve Ar/N2 akışları için aynı 𝑅𝑒 sayılarında (𝑅𝑒 ≅ 70) gözlenirken, ikinci kritik nokta Ar/H2 akışı için 𝑅𝑒 ≅ 120'de, Ar/N2 akışı için 𝑅𝑒 ≅ xxi 190'da bulunmuştur. Artan 𝑅𝑒 sayısı ile akışkan partikülleri arasındaki artan kayma gerilimi nedeniyle taşınım mekanizması difüzyon mekanizmasının üstesinden gelmeye başlamaktadır. Hidrojen daha yüksek gaz hızına ve dolayısıyla aynı 𝑅𝑒 sayısında azot gazından daha yüksek bir kayma gerilimine sahip olduğundan, Ar/H2 akışının kritik 𝑅𝑒 sayısının Ar/N2 akışından daha düşük olduğu bulunmuştur. Tezin ikinci ve son bölümünde, daha iyi bir performans elde etmek adına akışkan yatak için yeni bir kavramsal yaklaşım tanıtılmış ve gaz-katı akış hidrodinamiği incelenmiştir. Geleneksel akışkan yataklarda, katılar sürekli fazda iken gazlar ise dağıtılmış fazdır. Bu konseptte gaz fazının sürekli faz ve katıların dağılmış faz olduğu homojen katı ve gaz karışımı sağlayan bir akış rejimi elde edilmesi ile akışkan yatak performansının iyileştirmesi amaçlanmıştır. Bu nedenle gaz-katı hidrodinamiği, değişen jet ve çember çapı oranlarına sahip vorteks mikserlerde değişen yoğunluk ve boyutlardaki partiküller kullanılarak çalışılmıştır. Çalışma, hızlı kameranın kullanıldığı akış görüntüleme ile jetler ve çember boyunca fark basınç sensörleri kullanılarak kaydedilen anlık basınç değerleri ile gerçekleştirilmiştir. Akış görüntüleme deneylerine göre belirlenen minimum akışkanlaşma 𝑅𝑒 sayıları basınç düşüşü analizi sonuçları ile aynı bulunmuştur. Katı dağılımının en optimum olduğu 𝑅𝑒 aralıklarının (Remf ve Ret aralığı) fark basınç transdüserleri kullanılarak belirlenebileceği gösterilmiştir. Basınç analizi deneylerinin bu reaktörlerde uygulanabilir olması ile akışkanlaşmanın görüntülenebilir olmadığı endüstriyel sistemlerde basınç değerlerine göre akışkanlaşma rejimlerinin belirlenebileceği doğrulanmıştır. Ayrıca boyut, yoğunluk ve porozitenin gaz-katı akış hidrodinamikleri üzerinde kompleks etkileri olduğu gözlemlenmiştir.