Published May 1, 2024 | Version v1
Publication Metadata-only

Dissolved nutrient gas uptake and fluid mixing by bubble-mediated mass transfer in tall fermenters—A theoretical study

Creators

  • 1. University of Sheffield
  • 2. University of Hull
  • 3. African Institute for Mathematical Sciences Ghana

Description

A laminar flow perturbation theory for small gas volume fraction in high aspect ratio bubble columns is developed. The model captures the approximate hydrodynamics, mass transfer, microbicidal gas consumption as well as the hydrostatic head appropriate to vessels in the range of 10–50 m heights. The model is validated against a finite element multiphysics two fluid bubbly flow model for limiting cases of low heights. The key parameter in the mixing is found to be the ratio between stripping length scale, and the hydro-static pressure variation. If this is small, the mixing efficiency in the unaerated region increases like the bubble radius to the -3rd power, but for large values it is independent of the bubble radius. The overall mass transfer continues to increase as the bubble radius decreases. We find that decreasing the bubble radius from 1 cm scale to 1 mm results in an order of magnitude increase in our mixing metric.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تم تطوير نظرية اضطراب التدفق الصفحي لجزء حجم الغاز الصغير في أعمدة الفقاعة ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية. يلتقط النموذج الديناميكا المائية التقريبية، ونقل الكتلة، واستهلاك غاز مبيد الميكروبات بالإضافة إلى الرأس الهيدروستاتيكي المناسب للأوعية في نطاق ارتفاعات 10–50 مترًا. يتم التحقق من صحة النموذج مقابل عنصر محدود متعدد الفيزياء اثنين من نموذج تدفق السوائل الفقاعية للحد من حالات الارتفاعات المنخفضة. تم العثور على المعلمة الرئيسية في الخلط لتكون النسبة بين مقياس طول التجريد، وتباين الضغط الهيدروستاتيكي. إذا كان هذا صغيرًا، فإن كفاءة الخلط في المنطقة غير المهواة تزداد مثل نصف قطر الفقاعة إلى القوة الثالثة، ولكن بالنسبة للقيم الكبيرة فهي مستقلة عن نصف قطر الفقاعة. يستمر النقل الكلي للكتلة في الزيادة مع انخفاض نصف قطر الفقاعة. نجد أن تقليل نصف قطر الفقاعة من مقياس 1 سم إلى 1 مم يؤدي إلى زيادة الحجم في مقياس الخلط لدينا.

Translated Description (French)

Une théorie de perturbation d'écoulement laminaire pour une petite fraction volumique de gaz dans des colonnes à bulles à rapport d'aspect élevé est développée. Le modèle capture l'hydrodynamique approximative, le transfert de masse, la consommation de gaz microbicide ainsi que la charge hydrostatique appropriée aux navires de 10 à 50 m de hauteur. Le modèle est validé par rapport à un modèle d'écoulement fluide à deux éléments finis multiphysiques pour limiter les cas de faibles hauteurs. Le paramètre clé du mélange est le rapport entre l'échelle de longueur de dénudage et la variation de pression hydrostatique. Si elle est faible, l'efficacité du mélange dans la région non aérée augmente comme le rayon de la bulle jusqu'à la puissance -3, mais pour les grandes valeurs, elle est indépendante du rayon de la bulle. Le transfert de masse global continue d'augmenter à mesure que le rayon de la bulle diminue. Nous constatons que la diminution du rayon de la bulle de 1 cm à 1 mm entraîne une augmentation d'ordre de grandeur de notre métrique de mélange.

Translated Description (Spanish)

Se desarrolla una teoría de perturbación de flujo laminar para una pequeña fracción de volumen de gas en columnas de burbujas de alta relación de aspecto. El modelo captura la hidrodinámica aproximada, la transferencia de masa, el consumo de gas microbicida, así como la carga hidrostática apropiada para recipientes en el rango de alturas de 10–50 m. El modelo se valida contra un modelo de flujo de burbujas de dos fluidos multifísicos de elementos finitos para limitar los casos de alturas bajas. Se encuentra que el parámetro clave en la mezcla es la relación entre la escala de longitud de separación y la variación de la presión hidrostática. Si esto es pequeño, la eficiencia de mezcla en la región no aireada aumenta como el radio de la burbuja a la potencia -3, pero para valores grandes es independiente del radio de la burbuja. La transferencia de masa general continúa aumentando a medida que disminuye el radio de la burbuja. Encontramos que disminuir el radio de la burbuja de la escala de 1 cm a 1 mm da como resultado un aumento de orden de magnitud en nuestra métrica de mezcla.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
امتصاص الغازات المغذية الذائبة وخلط السوائل عن طريق نقل الكتلة بوساطة الفقاعات في أجهزة التخمير الطويلة - دراسة نظرية
Translated title (French)
Absorption de gaz nutritif dissous et mélange de fluides par transfert de masse médié par des bulles dans les grands fermenteurs - une étude théorique
Translated title (Spanish)
Captación de gas nutriente disuelto y mezcla de fluidos por transferencia de masa mediada por burbujas en fermentadores altos: un estudio teórico

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4393306544
DOI
10.1016/j.fbp.2024.03.004

Is supplement to
https://openalex.org/W4312133600 (Other)
https://openalex.org/W3026055904 (Other)
https://openalex.org/W2792869497 (Other)
https://openalex.org/W2567205727 (Other)
https://openalex.org/W2548694948 (Other)
https://openalex.org/W2546373613 (Other)
https://openalex.org/W2361803029 (Other)
https://openalex.org/W2086670395 (Other)
https://openalex.org/W2084426624 (Other)
https://openalex.org/W2068131564 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Ghana

References

  • https://openalex.org/W1717095524
  • https://openalex.org/W1965365330
  • https://openalex.org/W1973660276
  • https://openalex.org/W1979620295
  • https://openalex.org/W1992667262
  • https://openalex.org/W2006481471
  • https://openalex.org/W2013357334
  • https://openalex.org/W2017444662
  • https://openalex.org/W2019894173
  • https://openalex.org/W2019979098
  • https://openalex.org/W2024147749
  • https://openalex.org/W2027630798
  • https://openalex.org/W2033837345
  • https://openalex.org/W2035616341
  • https://openalex.org/W2045578397
  • https://openalex.org/W2045777182
  • https://openalex.org/W2053087529
  • https://openalex.org/W2065682926
  • https://openalex.org/W2076923175
  • https://openalex.org/W2078041813
  • https://openalex.org/W2087923869
  • https://openalex.org/W2088279053
  • https://openalex.org/W2093739984
  • https://openalex.org/W2104349513
  • https://openalex.org/W2123603859
  • https://openalex.org/W2129360985
  • https://openalex.org/W2188769880
  • https://openalex.org/W2236895231
  • https://openalex.org/W2258855528
  • https://openalex.org/W2305636028
  • https://openalex.org/W2326688438
  • https://openalex.org/W2342783339
  • https://openalex.org/W2496978523
  • https://openalex.org/W2513612649
  • https://openalex.org/W2550786655
  • https://openalex.org/W2559228591
  • https://openalex.org/W2897551100
  • https://openalex.org/W2920027933
  • https://openalex.org/W2928278714
  • https://openalex.org/W2946488553
  • https://openalex.org/W3046978107
  • https://openalex.org/W3085867719
  • https://openalex.org/W3131083789
  • https://openalex.org/W3166528923
  • https://openalex.org/W3198360689
  • https://openalex.org/W4242505406
  • https://openalex.org/W4246370438
  • https://openalex.org/W4323065989
  • https://openalex.org/W4383105257
  • https://openalex.org/W58084385
  • https://openalex.org/W773457110