Kierownik projektu: mgr inż. Dawid Sołoducha
Konkurs: PERŁY NAUKI
Przyznana kwota przez Ministra: 217 360 PLN
W wyniku rozwoju biotechnologii przemysłowej (zaliczającej się do dyscypliny inż. chem.), który nastąpił w latach 60. XX wieku, opracowano nowe typy aparatów umożliwiających w sposób wydajny prowadzić procesy wymagające natlenienia środowiska reakcji przy uwzględnieniu odpowiedniego czasu prowadzenia procesu. Dzięki wprowadzeniu strumienia gazu do cieczy można zapewnić intensywne mieszanie płynu bez konieczności używania mieszadeł mechanicznych. Reaktory te (nazywane kolumnami air-lift) są modyfikacją kolumn barbotażowych, które są stosowane z powodzeniem w bioprocesach (J.C.Merchuk & Gluz, 2002). W mieszalnikach wyposażonych w mieszadło mechaniczne może występować duże naprężenie ścinające, co przekłada się na niepożądane gradienty temperatury lub masy w mieszanym płynie. W bliskim otoczeniu mieszadła pojawiają się również obszary o zwiększonym stopniu burzliwości, które zanikają wraz z oddaleniem się od obszaru intensywnej pracy mieszadła, powodując problemy z transportem ciepła i masy w płynie, którego prędkość jest znacznie mniejsza od szybkości końca łopatek. Alternatywą do mieszalników mechanicznych są kolumny air-lift (w skrócie KA-L) (Chen & Lin, 2004) (AL-Mashhadani et al., 2015). Główne zalety KA-L to: brak części ruchomych; duża skuteczność absorpcji gazu wprowadzanego do aparatu; stosunkowo szybki proces mieszania płynu; niskie zużycie energii w porównaniu z mieszalnikami mechanicznymi (Klein et al., 2001).
Głównym problemem w konstrukcji KA-L jest zapewnienie minimalnej objętości cieczy do prawidłowego działania aparatu, czyli wysokość cieczy w KA-L musi być wystarczająca w celu zapewnienia recyrkulacji cieczy (poziom cieczy w separatorze gazu, tzw. strefie odgazowania musi być ponad strefą wznoszenia i opadania). Problem ten może być zminimalizowany przez zastosowanie odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych dla strefy separacji (J.C. Merchuk & Gluz, 2002). Kolejnym problemem jest zapewnienie dłuższego kontaktu pęcherzyków gazu z cieczą. W przypadku gdy prędkość cieczy jest wolniejsza niż prędkość wznoszących pęcherzyków gazu, gaz nie jest przenoszony do strefy opadania. Skutkuje to niewystarczającym czasem kontaktu fazy gazowej z fazą ciekłą, co bezpośrednio przekłada się na współczynnik wnikania masy w KA-L (J.C. Merchuk & Gluz, 2002). Kolejnym problemem w konstrukcji KA-L jest brak rozwiązań, w których byłaby możliwość wprowadzenia do cieczy więcej niż jednego gazu wywołującego ruch cieczy w tego typu aparacie lub wprowadzenie dwóch niezależnych od siebie strumieni tego
samego gazu.
Dlatego przedmiotem badań jest projekt i budowa nowej konstrukcji KA-L z wewnętrzną cyrkulacją cieczy. Zakłada się, że KA-L będzie wyposażona w generator zmiennego pola elektromagnetycznego, który będzie odpowiedzialny za wytworzenie oddziaływania mającego potencjalny wpływ na hydrodynamikę oraz procesy transportu pędu, masy i energii. Na rys.1 pokazano schemat proponowanej konstrukcji wspomaganej polem elektromagnetycznym KA-L z wewnętrzną cyrkulacją cieczy (w skrócie WPE KA-L), który został opracowany przez kierownika projektu w porozumieniu z zespołem naukowym pracującym w Katedrze Inżynierii Chemicznej i Procesowej ZUT w Szczecinie. Obecnie przygotowany projekt jest na etapie konsultacji z Działem Wynalazczości i Ochrony Patentowej ZUT w Szczecinie oraz w fazie przygotowań jest zgłoszenie patentowe konstrukcji. Należy zaznaczyć, że pokazana na rys. 1 konstrukcja jest jednym z wariantów, które powinny być rozważone przed wykonaniem projektu. Wykonanie projektu powinno zostać poprzedzone wykonaniem obliczeń oraz symulacji numerycznych CFD z zastosowaniem odpowiedniego oprogramowania inżynierskiego.
