Numerical and experimental study of venturi scrubbers

Abstract

Understanding the hydrodynamics of two-phase annular flow in venturi geometries is always a demanding task. Several works have been reported in the literature, regarding experimental and modelling of pressure drop, droplet size, liquid split and collection efficiency. However, research work in large-scale venturis close to the industrial application is very scarce. The experimental venturi scrubber facility built at the University of Minho has a throat diameter of 125 mm and a total length of 1.27 m. The throat gas velocity was within the range between 34 and 70 m/s and the liquid flow rate was set between 0.013 and 0.075 kg/s. The experimental work extends the available data into lower liquid concentrations where the atomisation process is more complex. The droplet size was measured by means of a laser diffraction instrument with a dynamic range between 15 and 1500 μm. The pressure drop was measured by an inclined multi tube manometer with phase separators between the pressure tappings and the manometer. The data show strong evidence that in the atomisation process, competing mechanisms are present. The droplet size is closely linked to the pressure drop which shows that the effect of liquid flow rate is not monotonic throughout the entire range. The minimum observed in this work has not been previously reported. The influence of the type of liquid introduction, on the pressure drop, is only important at high liquid loading. The atomisation and the initial interactions with the gas stream control the flow dynamics throughout the venturi. Furthermore, the changes in the droplet size distribution along the venturi are a clear indication of the phases interaction along the geometry. These data taken in well known and controlled conditions have been used to validate a phenomenological model further improved in the research group. This model takes into account the boundary layer growth in the diffuser and improves the description of the droplet population by including a distribution created at each step along the venturi, coalescence effects, entrainment and deposition. The comparisons have shown fairly good results, particularly for the pressure recovery in the diffuser. In order to achieve a better correlation between experimental and simulated results, a three-dimensional computational two-phase fluid model was developed using the Fluent code. An Euler-Langrangian approach has been used and the turbulence effects have been included. The droplet distribution at the venturi inlet was taken as a RR, but the dynamics of annular flow were not included. Some discrepancies were observed for the convergence pressure drop but the total pressure drop up to the throat was very well predicted for the experimental data taken from the large-scale venturi. The assumption of Cruz et al. (2007) model for the divergence section, that droplets flow essentially at the core region and not in the boundary layer, was predicted by the Fluent model. Both models produced comparative results and they must be further developed

O estudo do escoamento bifásico do tipo anular num venturi é uma tarefa complicada. Vários trabalhos têm sido publicados na literatura abordando quer a experimentação quer a modelação das principais variáveis: queda de pressão, tamanho de gotas, distribuição do líquido e eficiência na colecção de contaminantes. No entanto este conhecimento quando aplicado a venturis de grandes dimensões é muito escasso. Neste contexto foi construido um limpador de venturi experimental na Universidade do Minho. Este é caracterizado por um diâmetro de 125 mm no gargalo e um comprimento total de 1.27 m. Os ensaios foram realizados para velocidades do ar no gargalo entre 34 e 70 m/s enquanto o caudal de água foi regulado entre 0.013 e 0.075 kg/s. Este trabalho experimental estende os ensaios para baixos caudais de líquido onde o processo de atomização é mais complexo. O tamanho das gotas foi medido através de um instrumento baseado na técnica de difracção laser com uma gama de medição entre 15 e 1500 μm. A queda de pressão foi medida com auxílio de um manómetro multitubos inclinado. Os dados mostram que no processo de atomização competem vários mecanismos. O tamanho de gotas está directamente relacionado com a queda de pressão que, em função do caudal de líquido, apresenta não ser monotónica ao longo da gama de ensaios testada. A ocorrência de um mínimo não tinha sido reportada na literatura. O método de introdução do líquido no interior do venturi tem uma influência significativa na queda de pressão e no tamanho das gotas. O processo de atomização e as interacções entre as fases na região de entrada do venturi controlam o escoamento a jusante. Acresce que, a observaçãode alterações à distribuição probabilística das gotas ao longo do venturi, é uma indicação clara da interacção entre as duas fases. Os dados, que reflectem condições experimentais controladas, foram usados para validar um modelo fenomenológico do escoamento, desenvolvido pelo grupo de trabalho. Este modelo considera o crescimento da camada limite na expansão, uma distribuição probabilística das gotas, coalescência e a interacção entre o filme e as gotas dispersas. A comparação com os resultados experimentais é muito aceitável, em particular para a recuperação de pressão no difusor do venturi. Por forma a encontrar uma melhor correlação com os dados experimentais, um modelo computacional bifásico, tridimensional, foi desenvolvido no código Fluent. O método Euleriano-Lagrangeano foi usado para a modelação da fase dispersa. No entanto, não inclui o escoamento bifásico do tipo anular. Algumas deficiências foram encontradas no cálculo da queda de pressão na contracção. O modelo permitiu ainda validar a hipótese de não inclusão da fase dispersa na camada limite do difusor (Cruz et al., 2007). Ambos os modelos apresentam resultados similares.