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Simultaneous measurement of aerosol mass transfer and hydrodynamics in gas-liquid two-phase flow systems

English title Simultaneous measurement of aerosol mass transfer and hydrodynamics in gas-liquid two-phase flow systems
Applicant Lind Terttaliisa
Number 200734
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Nukleare Energie und Sicherheit Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.03.2022 - 28.02.2026
Approved amount 272'964.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Other disciplines of Environmental Sciences
Fluid Dynamics

Keywords (3)

aerosol; hydrodynamics; retention

Lay Summary (German)

Lead
Der Aerosolpartikeltransfer aus dem Gas in die Flüssigkeit wird gleichzeitig mit den Strömungseigenschaften bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten mit einem «Wire-mesh sensor» gemessen.
Lay summary
Der Transport von Aerosolpartikeln aus einem Gasstrom in eine Flüssigkeit kann in vielen Prozessen genutzt werden, z. B. um kontaminiertes Gas von verschiedenen Schadstoffen zu reinigen. In industriellen Prozessen ist der Einsatz solcher Wäschersäulen besonders attraktiv, da sie eine Möglichkeit zur gleichzeitigen Sammlung von Aerosolpartikeln und Gasphasenverunreinigungen bieten. 

Die Strömung, die sich bei der Injektion eines Gases in eine Flüssigkeitssäule bildet, ist durch die Geschwindigkeit der Flüssigkeits- und Gasphasen gekennzeichnet. Bei niedrigen Geschwindigkeiten bildet das Gas kleine Blasen in der Flüssigkeit und die Strömungseigenschaften können durch analytische Modelle beschrieben werden. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit wird die Strömung immer chaotischer, und die Beschreibung basiert auf rein empirischen Daten. Werden der Gasströmung Aerosolpartikel zugesetzt, wird das Problem noch komplexer und eine mechanistische Modellierung ist nicht mehr möglich. Daher werden detaillierte Experimente zum Aerosolpartikeltransfer vom Gas in die Flüssigkeit benötigt.

In dieser Arbeit wird der Aerosolpartikeltransfer aus dem Gas in die Flüssigkeit gleichzeitig mit den Strömungseigenschaften bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten mit einem «Wire-mesh sensor» gemessen. Die Möglichkeit, gleichzeitig den Aerosol-Massentransfer und die hydrodynamischen Eigenschaften einer Zweiphasenströmung zu messen, ist einzigartig. Detaillierte Ergebnisse des Aerosoltransfers und der Strömungsdynamik werden auch für hohe Strömungsgeschwindigkeiten geliefert, für die es keine derartigen Daten gibt. Ein detailliertes Verständnis dieses Prozesses wird die Entwicklung von effizienteren Geräten zur Partikelabscheidung für industrielle Prozesse und Energieanwendungen ermöglichen. In der Grundlagenforschung können die mit dieser Methode gelieferten Daten zur Validierung von integralen Aerosoltransportmodellen und auch von mechanistischen Modellen, die die lokalen Transportphänomene beschreiben, verwendet werden.
 
Direct link to Lay Summary Last update: 28.05.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Abstract

Transport of aerosol particles to a liquid phase by feeding a gas flow through a liquid column is a very efficient way of collecting particulate material. It can be used to sample nanoparticles for further application (Koch and Weber, 2012), clean indoor air (Charvet et al., 2011) or to reduce harmful particle emissions from energy conversion processes during normal (Meikap and Biswas, 2004) and accident conditions (IAEA, 2015). The bubble columns used for this purpose have been shown to have high efficiency also for nanoparticles which are typically difficult to retain and may carry high concentration of harmful substances due to a high area-to-volume ratio (e.g., Koch and Weber, 2012). In industrial applications, wet scrubbers offer high collection efficiency without the undesired clogging tendency of the fabric filters, and offer the additional possibility for retention of gas phase species, such as SO2 and HCl.The most important particle transport processes from a bubble to liquid are diffusion, inertial deposition and gravitational deposition as described by the Fuchs model (Fuchs, 1964). In order to calculate the transport by these different processes, particle size and density, as well as the bubble size and velocity of the bubble relative to the liquid need to be known, in addition to the gas and liquid properties. The past investigations have shown the dependence of aerosol retention on some general parameters such as water column height, geometry, injection flow rate, or injection orifice diameter (e.g., Miljevic et al., 2009; Charvet et al., 2011) without reporting the underlying hydrodynamic characteristics of the two-phase flow. Alternatively, critical hydrodynamic parameters such as bubble size and/or interfacial area and gas phase velocity are reported but only under very simplified conditions in the bubbly flow regime (e.g., Koch and Weber, 2012). Only the overall aerosol retention over the column height has been measured in all the past investigations and local retention efficiency was not determined.Wire mesh sensor (WMS) is currently among the most advanced instrumentation for high-resolution time-dependent two-phase flow distribution. WMS has been applied to analysis of mixing of liquids and to gas-liquid two phase flows involving void and liquid. Recent work has shown that WMS can also be used for investigation of mass transfer from the gas to liquid by measuring the soluble gas absorption in the liquid. We propose to extend the application of this technique to deposition of aerosol particles in gas-liquid multi-phase flows.The possibility to simultaneously measure aerosol mass transfer and hydrodynamic characteristics, i.e., bubble size and velocity, of a multi-phase flow over a whole cross-section of an experimental facility is not available so far. This method will allow us to validate the aerosol transport models not only in the bubbly flow regime but in any flow regime reaching to churn-turbulent flow. With this, we can determine the validity range of the Fuchs model and propose correlations to describe aerosol retention in the range in which the mechanistic modelling is not feasible.
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