An experimental study on flow dynamics through packed beds

Abstract

Bu tezde, farklı geometrik ve fiziksel özelliklere sahip olan paketli yataklarüzerinde akım dinamiğine yönelik sistematik bir deneysel çalışma sunulmaktadır.Geometrik paket özelliklerinin etkilerini belirlemek için 16 farklı paketli yatakkullanılmıştır. Uygulanan paket uzunluğunun paket çapına olan oranı L/D,0,24â¤L/Dâ¤1,46 arasındadır. Uygulanan paket çapının paket malzemesi ortalamaçapına oranı D/d, 5,72â¤D/dâ¤17,16 arasındadır. Paket malzemesi ortalama çapınınpaket uzunluğuna oranı d/L, 0,04â¤d/Lâ¤0.72 arasında ve paketli yatak boşluk kesitoranı;ε, 0.36â¤Îµâ¤0.56 arasında kalmıştır.Deneysel çalışmada, kullanılan paket malzemeleri nohut, iki farklı ölçüde zeolittaşı ve cam bilyedir. Bu paket malzemeleri paketli yatağın içerisine rasgele şekildeyerleştirilmiştir. 6 mmâ¤dâ¤18 mm aralığını içeren paket malzeme ortalama çapı, 640kg/m3â¤Ïâ¤2675 kg/m3 aralığını içeren paket malzeme yoğunluğu, 0,55â¤Î¦â¤1,0aralığını içeren küresellik şeklinde geometrik ve fiziksel özellikleri içeren paketmalzemeleri kullanılmıştır.Gerçekleştirilen 64 ayrı testte, 15000â¤Reâ¤33000 aralığındaki akım Reynoldsayısı ve 708,2â¤Repâ¤7772,73 aralığındaki parçacık Reynold sayısı için basınç kaybıölçümleri, kesit çıkış hızı dağılımı ölçümleri ve sürtünme katsayısı hesaplamalarıyapılmıştır. Ölçülen basınç kayıpları, ÎPBed, Ergun denklemi, ÎPErgun ilekıyaslanmıştır. ÎPBed/ÎPErgun oranı 0,8â¤ÎPBed/ÎPErgunâ¤1,25 aralığında bulunmuştur.Deneysel veriler ayrıca eş ilişkiler halinde tanımlanan orijinal boyutsuz parametrelercinsinden sunulmuştur. Bu doğrultuda, ÎP*, ÎPBed/ÎPEmpty, Reexit parametreleritanımlanmıştır.vDeneysel veriler ÎP* ile d/L, ÎP* ile Rep(d/L), ÎP* ile εRep(d/L), ÎPBed/ÎPEmptyile Rep(d/L) ve son olarak Rep(d/L) ile Reexit içeren birimsiz parametrelerle deverilmiştir. Bu eş ilişkiler deneysel çalışmanın kapsadığı paketli yatak değişkenlerive özellikle Rep aralıklarında geçerlidir.Anahtar Kelimeler: Paketli Yatak, Basınç Kaybı, Ergun Denklemi, AkımReynolds Sayısı, Partikül Reynolds Sayısı, Çıkış Reynolds Sayısı, SürtünmeKatsayısı, Boşluk Kesit Oranı, Küresellik.vi

In this thesis, a systematic experimental study on flow dynamics throughpacked beds having different geometrical and physical properties is presented.In order to determine the influence of geometrical packed bed properties, 16different packed beds were used. The covered range of length to diameter ratio ofbed L/D was 0.24â¤L/Dâ¤1.46. The range of diameter of bed to average diameter ofpacking material D/d was 5.72â¤D/dâ¤17.16. The range of average diameter ofpacking material to length of bed d/L was 0.04â¤d/Lâ¤0.72 and the range of packedbed porosity ε was 0.36â¤Îµâ¤0.56.The packing materials which were used in the experimental study werechickpea, two different sized zeolite, and glass bead. These packing materials wereplaced into the bed with a random loose packing method. The geometrical andphysical properties of the packing materials were used as common variablesincluding average diameter of packing material d in the range of 6 mmâ¤dâ¤18 mm,packing material density Ïm in the range of 640 kg/m3â¤Ïmâ¤2675 kg/m3,and particlesphericity Φ in the range of 0.55 â¤Î¦â¤ 1.0.In the covered 64 separate test cases, pressure drop across the bed and exitcross-sectional velocity distribution were measured, friction factor in each case wascalculated for a flow Reynolds number range of 15000â¤Reâ¤33000 and particleReynolds number range of 708.2â¤Repâ¤7772.73. Measured pressure drops, ÎPBed,were compared with ÎPErgun; calculated pressure drops using well-known Ergun?siiiEquation. The range of ÎPBed/ ÎPErgun was 0.8â¤ÎPBed/ÎPErgunâ¤1.25 due to the utilizedΦ range.Experimental data were also presented in terms of non-dimensional parametersdefined originally through a correlation study involving ÎP* and d/L, ÎP* andRep(d/L), ÎP* and εRep(d/L), ÎPBed/ÎPEmpty and Rep(d/L) and finally between Rep(d/L) and Reexit. These correlations seem to be valid in the covered ranges of theexperimental study regarding the variables of the packed bed and particularly Rep.Key Words: Packed Bed, Pressure Drop, Ergun?s Equation, Flow ReynoldsNumber, Particle Reynolds Number, Exit Reynolds Number, Friction Factor, BedPorosity, Sphericity.iv