3.5.1. Tăng hiệu quả truyền khối
Trong thiết bị COBR, sự kết hợp của các vách ngăn với một dòng chảy có lưu lượng thích hợp giúp chất lưu dao động với tần số từ 0.5-15 Hz với biên độ trong khoảng 1-100 mm. Các phần tử chất lỏng chuyển động dao động tương tác với nhau để tạo thành các dòng xoáy làm, tạo điều kiện khuấy trộn hoàn hảo cho chất lưu trong thiết bị.[26]
Ảnh hưởng của những sự dao động dòng chảy về sự tăng cường truyền khối đã được mô tả đặc điểm trong những năm gần đây, đối với cả việc thay đổi các cột đĩa cũng như đối với dòng chảy dao động trong các ống có vách ngăn.
Trong những hình này, khí được chìm trong đáy của cột, và có thể nhìn thấy được khí phân bố thành những bọt có kích thước tương đối đều và nhỏ bằng sự di chuyển lên xuống của đĩa vách ngăn, những đĩa này có chứa ba lỗ.
Hình 3.5 A: khí được nén từ đáy, chưa có dao động
Hình 3.5 C: sau khi dao động hoàn toàn Hình 3.5 D: sau khi có nhiều dao động
Hình 3.5 E: Dòng chảy của sự khuyếch tán bọt trong dòng chảy dao động[16]
Trong một hệ thống ống có vách ngăn, ảnh hưởng của những sự dao động dòng chảy là rất tương đồng. Trong một nghiên cứu gần đây bởi Hegwill, ảnh hưởng của dòng chảy dao động trong các ống có vách ngăn đối với hệ thống O2/H20 đã từng được tiếp xúc ( tiếp xúc khí – lỏng ). Các thiết bị bao gồm một ống dẻo thẳng đứng cao 26 mm, dài 0.6 m. chất lỏng được cung cấp bởi một hình cao su và thiết bị dao động dòng.[16]
điều kiện dao động khác nhau và những loại khác nhau của vách ngăn : Loại xoắn ốc, trung tâm và loại ống. Sự hình dung ảnh của cơ học chất lưu và trạng thái bọt khí cũng được hình thành, các dòng chảy của vách ngăn dao động có thể điều chỉnh các quỹ đạo bọt, di chuyển xung quanh bên trong thể tích của lỗ bọt. Tại mức độ tăng cường của sự dao động, các cột bọt có thể bị bẫy trong mội lỗ ít nhất một vài giây.
Các giá trị kLa thử nghiệm tại các giá trị dòng chảy khác nhau và sự tính toán mật độ năng lương sử dụng một mô hình ổn định được sử dụng để cân đối kLa, được cho như sau:
εv là mật độ năng lượng, và U là vận tốc khí mặt ngoài(mm/s) [20]
Nếu hai sự tương quan được so sánh về mặt đồ thị, có thể nhìn thấy rằng hệ thống thiết bị dòng chảy dao động là hiệu quả năng lượng hơn so với các thiết bị có khuấy giữ khí. Đối với mật độ năng lượng đã cho, giá trị kLa thu được đối với dòng chảy mật độ là gấp hai lần giá trị thùng có khuấy, đối với tất cả các giá trị của mật độ trên 200.
Hình 3.6:Hiệu quả truyền khối của COBR [20]
Việc sử dụng các dòng chảy dao động để nâng cao khối lượng truyền chất, cùng với việc kiểm soát tốt hơn cường độ trộn lẫn nơi một thiết bị truyền khối dòng chảy dao động có tiềm năng hơn so với thiết bị có khuấy sẽ là không thích hợp, chẳng hạn như phản ứng lên men. Một nghiên cứu sơ bộ (Harrison và Mackley, 1991) đã chứng minh tính khả thi của thiết bị dao động dòng. Năng lượng của dòng chảy dao động có hiệu quả kết hợp hai giai đoạn cũng cho thấy việc sử dụng nó trong các phản ứng khí- lỏng nơi phổ biến là hiệu suất hạn chế, khó khăn và quy mô lên các khu ứ đọng sẽ được giảm thiểu, có thể xảy ra trong các thiết bị có khuấy.Trạng thái phân bố thời gian lưu (RTD) của thiết bị phản ứng dòng chảy dao động trong phòng thí nghiệm đã từng thể hiện để điều tra và xác định những sự phân bố tương đối của dòng chảy dòng dao động và những thành phần dòng chảy khối trong thiết bị phản ứng ống vách ngăn.
Sự trộn lẫn một dòng chảy dao động lên một dòng chảy ổn định thông qua một ống vách ngăn có thể nâng cao đáng kể hệ số truyền nhiệt trong thiết bị phản ứng hoạt động liên tục. Đặc biệt, hệ số truyền nhiệt (chuẩn số Nusselt) là chỉ số trong chế độ dòng chảy thành lớp . Ở giá trị Re thấp hơn, chuẩn số Nuselt thích hợp nằm ở giá trị từ 10 đến 30.[8] Điều này làm cho nó có thể đạt được hệ số truyền nhiệt như trong ống trơn có vận tốc dòng chảy ổn định cao đáng kể, chuẩn số Reynolds được sử dụng để mô tả dao động dòng chảy có sự hỗn loạn. Trong thực tế, điều này có nghĩa là hệ số truyền nhiệt cao có thể đạt được trong lò phản ứng liên tục sử dụng dòng chảy dao động COBR, chỉ số Reynolds thấp hơn đáng kể so với các lò phản ứng ống liên tục thông thường.
Pha trộn cường độ (biên độ và tần số) là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt thực tế.
Rõ ràng là để đạt được hiệu quả truyền nhiệt yêu cầu như đối với dòng chảy thông thường trong ống trơn thì trong thiết bị COBR chỉ cần một giá trị chuẩn số Reynolds thấp hơn rất nhiều. Mackley và Stonestreet (1995) đã đưa ra mối tương quan giữa chuẩn số Nuseltvà chuẩn số Reynolds như sau:
( ) 1/ 3 1/ 3 o n 1.25 n Re Nu 0.0035 Re Pr 0.3 Re 800 = + +
Trong điều kiện
n
Re
càng tăng thì giá trị chuẩn số Nu càng cao ứng với mọi giá trị của Reo.
Tuy nhiên nếu Ren tăng quá cao thì dòng chảy dao động sẽ bị lấn át bởi dòng chảy chính. Do đó cần phải giới hạn Renđể vẫn duy trì được dòng chảy dao động, vừa đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt [32]