Numerical modeling and experimental study of a plasma lift reactor

Abstract

The plasma lift reactor (PLR) is a new type of reactor used to degrade organic materials in an aqueous medium. This work focuses on improving the understanding of how this PLR works. Important contributions to science were made including: the first laboratory validated Computational Fluid Dynamics (CFD) model of the PLR, new experimental data for gas holdup, bubble velocity, and temperature, and improvments to the conductive probe measurement technique. A literature review was performed to better understand relevant technologies for both the experimental and numerical work. Conductive needle probes were selected from the literature review as a potential candidate for flow measurements in the PLR. However, in preliminary tests it became evident that improvements were possible to this technique. Four probes of different design were built and tested to determine which was the most effective at measuring gas holdup and bubble velocity. The largest of the probes exhibited the best signal to noise ratio and was effective in measuring bubble velocity. This style of probe was chosen for further experimental measurements in the PLR. Additionally a new technique was devised to process the probe signals which improves over existing technology. Software was written to demonstrate the new capabilities. The importance of the signal to noise ratio in conductive needle probe measurements and the new data processing algorithm were new and unique advances in the technology. As such, they have been published in the Review of Scientific Instruments. Computational fluid dynamics modeling was also performed. Results from these models will be the first ever to appear in a peer reviewed journal. A 2D axis-symmetric model was used to limit computational expense while providing reasonable accuracy. A customized drag model which accounts for bubble-bubble interactions was also implemented. Predictions for the liquid phase recirculation in the reactor agreed well with available laboratory measurements. Predictions for the gas holdup and velocity were better for lower flow rates than higher gas flow rates. Improved modeling techniques to be implemented in the future will undoubtedly bring numeric predictions closer to laboratory measurements.

Résumé : Le réacteur du plasma submergé (RPS) est un nouveau type de réacteur utilisé pour la destruction de matériaux organiques dans un medium acqueux. Ce travail a pour but d'améliorer la compréhension et comportement du RPS. Les contributions scientifiques importantes étaient: le premier model numérique du RPS était validé en laboratoire, les nouvelles données expérimentaux pour la fraction du gaz, la vélocité des bulles et la température, et finalement amélioration à la technique des sondes conductives. Une revue de litérature était fait pour avoir une meilleure compréhension des technologies applicable au travail expérimental et numérique. Les sondes conductives étaient sélectionnées de la litérature comme candidats potentials pour mesurer l'écoulement dans le RPS. Mais dans les essais préliminaires, il était devenu évident que cette technique pouvait être améliorée. Quatre sondes différentes étaient construits et évaluées pour déterminer laquelle était le plus efficace pour mesurer la fraction du gas et la vélocité des bulles. La plus grosse sonde démontre la meilleure ratio du signale au bruit et était efficace à mesurer la vélocité de la bulle. Ce style de sonde était choisi pour d1autres mesures expérimentaux dans le RPS. En plus, une nouvelle technique était inventée pour traiter les signaux du sonde. C1est meilleur que la technologie existante. Un logiciel était écrit pour démontrer cette nouvelle capacité. L'importance du ratio du signale au bruit dans les mesures de sonde conductive et les nouveaux algorithmes de traitements sont nouveau et original. Pour ces raisons, c'était publié dans le Review of Scientific Instruments. La modélisation des fluides dynamiques ont aussi été faite. Les résultats de ces models seront les premiers à apparaître dans un journal académique. Un model 2-dimensionnel axis-symmétrique était utilisé pour limitée le coût computationel en donnant une fiabilité raisonnable. Un model de coefficient de trainé qui tient compte des intéractions des bulles était aussi implémenté. Les prédictions pour la recirculation de la phase liquide sont en accord avec les mesures du laboratoire. Les prédictions pour la fraction du gas traînée et la vélocité était meilleur pour les écoulements faibles que élevée.