Experimental Investigation of Swirl and Non-Swirl Gas Injections Into Liquid Baths Using Submerged Vertical Lances

Abstract

The behaviour of the flow of swirl and non-swirl gas injections into a liquid bath was investigated experimentally, using water as modelling fluid to gain an understanding of the mixing process of the Sirosmelt top submerged gas injection system. The effects of swirl intensity, gas injection rates and lance submergence levels on the gas-liquid interaction were determined by measuring the velocity fields and the generation of turbulence in the bath. The results indicate that the swirl gas injection promoted high liquid velocities and high turbulent kinetic energy and hence better mixing in the tank. When two-thirds of the lance was submerged better mixing and high liquid velocities resulted for both gas injection rates investigated. The applicability of the concept of isotropic turbulence for the liquid bath was examined. It was found that the assumption of isotropic turbulence may hold outside the plume region. However, there are a clear indication that turbulence is non-isotropic in the vicinity of the wall region. These findings have implications in the mathematical modelling of gas injection processes.On a étudié expérimentalement le comportement d'écoulement d'injections de gaz, avec et sans tourbillon, dans un bain liquide. On a utilisé des modèles aqueux afin d'obtenir un aperçu du procédé de mélange du système Sirosmelt submergé d'injection de gaz, par le haut. On a déterminé l'effet de l'intensité du tourbillon, des taux d'injection de gaz et des niveaux d'immersion de la lance sur l'interaction gaz-liquide en mesurant les champs de vitesse et la génération de turbulence dans le bain. Les résultats semblent montrer que l'injection de gaz avec tourbillon stimulait des vitesses élevées dans le liquide et une énergie cinétique turbulente élevée et, ainsi, un meilleur mélange dans le réservoir. Les taux élevés d'injection de gaz, comme on s'y attendait, ont produit des vitesses élevées du liquide dans tout le réservoir. L'immersion aux deux tiers de la lance a résulté en un meilleur mélange et en des vitesses élevées du liquide, aux deux taux d'injection de gaz étudiés. On a examiné l'applicabilité au bain liquide du concept de turbulence isotrope. On a trouvé que l'assomption de turbulence isotrope pouvait être retenue en dehors de la région d'injection. Il y a cependant des indications claires que, dans le voisinage de la paroi, la turbulence est non-isotrope. Ces découvertes ont des implications sur la modélisation mathématique des procédés d'injection de gaz.