Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4486
Main Title: Comparison of single bubble and bubble swarm behavior in narrow gaps inside flat sheet membrane modules
Translated Title: Vergleich des Einzelblasen- und Blasenschwarmverhaltens in engen Kanälen innerhalb von Flachmembranmodulen
Author(s): Böhm, Lutz Peter
Advisor(s): Kraume, Matthias
Referee(s): Kraume, Matthias
Bérubé, Pierre Robert
Schlüter, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Arbeit diskutiert die Untersuchung eines Gas/Flüssig-Systems motiviert durch Anwendung von Flachmembranmodulen in Membranbioreaktoren (MBR). Solche Systeme werden häufig als Air-Lift-Schlaufenreaktoren betrieben, deren Belüftung zu einem Cross-Flow entlang der Membranoberflächen führen soll. Cross-Flows reduzieren die Ausbildung von Deckschichten auf den Membranen, die sich während der Filtration ausbilden. Obwohl es auch möglich wäre, im einphasigen System einen Cross-Flow-Betrieb zu realisieren, wird dennoch häufig belüftet, da sich dies als vorteilhaft für den Reinigungsprozess erwiesen hat. Dieser Reinigungseffekt kann auf die Wandschubspannungen zurückgeführt werden, die durch die Geschwindigkeitsgradienten an den Wänden in den engen Kanäle zwischen den Membranen auftreten. Obwohl die Belüftung einen der größten Anteile an den Betriebskosten von MBRs ausmacht, gibt es kein tieferes Verständnis, wie Konstruktions- und Betriebsparameter den Reinigungsprozess beeinflussen. Für enge Kanäle, wie sie in Flachmembranmodulen auftreten, gibt es weder für den Einzelblasenaufstieg noch für Blasenschwärme ausreichend Literatur. Neben der speziellen Geometrie, wie sie in Flachmembranmodulen zu finden ist, ist in MBRs auch eine komplex zusammengesetzte Flüssigphase zu finden. Diese Flüssigphase weist üblicherweise eine scherverdünnende, nicht-Newtonsche Rheologie auf. Die Grundidee dieser Arbeit ist es, die Wissenslücke über die Fluiddynamik in einem solchen System zu schließen und dabei alle benannten Parameter in Betracht zu ziehen. Einzelblasenuntersuchungen wurden als grundlegender Ansatz gewählt, um den Einfluss der für diesen Fall speziellen Größen im Vergleich zum üblicherweise untersuchten Blasenaufstieg ohne Wandeinfluss zu untersuchen. Die Parameter Kanaltiefe (die dem Abstand zwischen den Membranen entspricht), Blasengröße, überlagerte Flüssigkeitsgeschwindigkeit und Rheologie der Flüssigphase wurden in einem Modellsystem, das den optischen Zugang zum Spalt erlaubt, variiert. Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen, Particle Image Velocimetry und die Elektrodiffusionsmethode wurden als Messtechniken angewendet. Dies ermöglicht die Ermittlungen der Blasendynamik, der Dynamik der die Blase umgebenden Flüssigkeit und der durch die Blase induzierten Wandschubspannung. Während die Blasengröße, die überlagerte Flüssigkeitsgeschwindigkeit und die Rheologie der Flüssigphase alle gemessenen Größen beeinflusst, zeigte sich der hauptsächliche Einfluss der Kanaltiefe bei den Aufstiegsgeschwindigkeiten (im Vergleich zu frei aufsteigenden Blasen) und den Wandschubspannungen. Speziell die Identifikation des Einflusses der Rheologie der Flüssigphase ist von Interesse für die Membranforschung. In der MBR Literatur lässt sich die Aussage finden, dass fluiddynamische Untersuchungen mit Wasser auf reale Systeme übertragbar sind. Für den Einzelblasenaufstieg kann dies nicht bestätigt werden. Bei den Blasenschwarmuntersuchungen wurden wiederum die Kanaltiefe und die überlagerte Flüssigkeitsgeschwindigkeit variiert. Im Gegensatz zu den Einzelblasenuntersuchungen wurde hier nicht direkt die Blasengröße sondern die Gasleerrohrgeschwindigkeit variiert und weitere kontinuierliche Phasen getestet. Durch die Zugabe von Ionen sollte ein koaleszenzgehindertes System erzeugt werden, da, wie bereits erwähnt, die Flüssigphase im realen System ebenfalls eine komplexe Zusammensetzung diverser Stoffe darstellt. Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen und die Elektrodiffusionsmethode wurden angewendet, um den Gasgehalt und die Wandschubspannung zu messen. Während im Fall des Gasgehalts die Kanaltiefe keinen starken Einfluss hatte, war das gleiche der Fall für den Einfluss der überlagerten Flüssigkeitsgeschwindigkeit auf die Wandschubspannung. Die Eigenschaften der Flüssigphase beeinflussten beide gemessenen Größen. Für den Gasgehalt und Wandschubspannung wurden jeweils beschreibende Korrelationen entwickelt, die alle variierten Parameter mit einbeziehen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Art der Flüssigphase in diesen fluiddynamischen Untersuchungen einen Einfluss auf die gemessenen Größen hat. In Bezug auf das Potential, die Membranoberfläche zu reinigen, kann festgestellt werden, dass eine erhöhte Begasungsrate keinen starken Einfluss auf die auftretende Wandschubspannung hat und somit nicht die zusätzlichen Betriebskosten rechtfertigt.
In this thesis, a study of a gas/liquid system in a confining geometry is presented. The project was motivated by flat sheet membrane modules used in membrane bioreactors (MBRs). Such systems are often operated as air-lift loop reactors. These are aerated to induce two-phase crossflows along the membrane surfaces. These crossflows reduce the growth of deposition layers on the membrane surface which develop during the filtration process. It would be possible to generate such crossflows as single-phase liquid flows, as well, but bubbles rising together with the liquid proved to enhance the cleaning effect. The cleaning effect is based on wall shear stresses due to velocity gradients at the wall in the narrow gaps between the membranes. Although aeration is one of the main cost factors during the operation of MBRs, a deeper understanding how constructional and operation parameters influence the process is not known. For such confining geometries as they are found between two flat sheet membranes, neither for single bubbles nor for bubble swarms sufficient literature can be found. Besides the specific geometry apparent in flat sheet membrane modules, in MBRs complex compositions of the liquid are found, leading to a shear-thinning non-Newtonian rheology. The idea of this thesis is closing the gap of knowledge about fluid dynamics in a system taking all the mentioned parameters into account. Single bubble experiments were chosen as a fundamental approach to understand the influence of such a system in comparison to commonly investigated bubbles rising in unconfined geometries. The parameters channel depth (equal to the distance between the membranes), bubble size, superimposed liquid velocity and rheology of the liquid were varied in a model system allowing the optical access to the inside of the gap. High speed camera imaging, particle image velocimetry and the electrodiffusion method were applied as measurement techniques. This allowed the determination of quantities regarding the bubble dynamics, the flow surrounding the bubble and the wall shear stress generated by the bubble ascent. While the bubble size, superimposed liquid velocity and rheology influenced almost all measured quantities, the channel depths influenced mainly the rise velocity (in comparison to freely rising bubbles) and the generated wall shear stress. Especially the identification of the influence of the rheology of the liquid phase is important in the field of membrane research. In MBR literature, a statement can be found that fluid dynamic findings in water are transferable to real systems. Up to here only for single bubbles, this statement cannot be confirmed. For the bubble swarm experiments, the varied parameters were again the channel depth and superimposed liquid velocity. Additionally, in contrast to the single bubble experiments, the superficial gas velocity was varied and the liquid phase variation was expanded by also testing water and the non-Newtonian liquid doped with ions. The ions were added for coalescence hindrance which can happen in real systems, as well, as these are complex compositions of diverse materials. High speed camera imaging and the electrodiffusion method were applied to measure the gas hold-up and the generated wall shear stress. While the channel depth did not significantly influence the gas hold-up, the same is valid for the superimposed liquid velocity regarding the wall shear stress. The properties of the liquid phase influenced both measured quantities. For the gas hold-up and wall shear stress, correlations were developed taking all varied parameters into account. Concluding, it was found that the type of continuous phase used in the fluid dynamic measurement does have a significant influence on the measured quantities. With respect to the membrane cleaning potential, it can be stated that an increase of the aeration rate does not have a strong enough impact on the wall shear stress to justify the additional operating cost resulting from it.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-66859
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4783
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4486
Exam Date: 16-Apr-2015
Issue Date: 7-Jul-2015
Date Available: 7-Jul-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Bilddatenanalyse
Blase
Blasensäulen
Nicht-Newtonsche Fluide
Schubspannung
Bubble
Bubble column
Image analysis
Non-Newtonian liquid
Shear stress
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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