Pressure Drop in Randomly Packed Absorption Tower in Transient Flow Regime

Document Type : Original Article


Department of Chemical Engineering University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran



In this work computational fluid dynamics is used to describe the fluid flow across a randomly packed absorption tower. The CFD simulation method is employed on a packed tower that is packed with 1cm Raschig rings. Tower is 175cm in height. Air flow rate range was 1.5 to 5 m/s. The measured pressure drops were in 1.5 to 12 Pascal per height of tower in meter. The Klerk’s approach is examined to define the influence of confining walls on pressure drop in packed areas. It is concluded that CFD model that uses the Klerk’s definition of radial porosity distribution is a successful way for pressure drop prediction in packed beds. Model prediction of dry pressure drop is about 4% lower than the experimental measurements. Ergun’s pressure drop prediction is compared with that of Reichelt’s using averaged and distributed porosity profiles. In both methods Ergun’s approach in comparison with Reichelt’s approach has %6 lesser error in dry pressure drop prediction.


Article Title [فارسی]

افت فشار برج جذب آکنده نامنظم در رژیم جریان گذرا

Authors [فارسی]

  • سیده گیتا شرفی
  • رهبر رحیمی
  • مرتضی زیودار

گروه مهندسی شیمی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

Abstract [فارسی]

در این پژوهش از روش دینامیک سیالات محاسباتی  برای توصیف جریان در بستر آکنده برج جذب با آکنه های نامنظم پرداخته شده است. در این بررسی برجی در مقیاس نیمه صنعتی با آکنه های راشیگ 1 سانتیمتری بوسیله دینامیک سیالات محاسباتی مورد شبیه سازی در مقیاس ماکرو قرار گرفته است. ارتفاع برج در حدود 175 سانتیمتر است. محدوده سرعت هوا 5/1 الی 5 متربرثانیه و افت فشار اندازه گیری شده 5/1 الی 12 پاسکال بر واحد متر است. پدیده اثر دیواره که منجر به توزیع تخلخل شعاعی در ناحیه آکنده میشود با دیدگاه کلرک بیان شده است. تعریف توزیع تخلخل شعاعی کلرک در مدل CFD در پیش بینی افت فشار حاصل از محیط آکنده با آکنه های راشیگ موفق بوده است.پیش بینی افت فشار خشک توسط مدل تنها در حدود 4% با نتایج آزمایشگاهی اختلاف دارد. دیدگاه پیش بینی افت فشار ارگان، در دو حالت بررسی با تخلخل متوسط و توزیع تخلخل شعاعی، با دیدگاه رایکلت مورد مقایسه قرار گرفته است. در این بررسی دیدگاه پیش بینی افت فشار براساس رابطه ارگان در هر دو روش به نسبت دیدگاه رایکلت در پیش بینی داده های آزمایشگاهی دقیق تر بوده و تنها 6% از نتایج آزمایشگاهی اختلاف داشت. 

Keywords [فارسی]

  • افت فشار
  • برج جذب آکنده
  • آکنه نامنظم
  • دینامیک سیالات محاسباتی
[1] Y. Haroun., L. Raynal,” Use of Computational Fluid Dynamics for Absorption Packed Column Design”, Oil and Gas Science and Technology– Rev. IFP Energies nouvelles, 71, 43, (2016).
[2] Liu, Q.S., Roux, B., Velarde, M.G., “Thermocapillary Convection in Two-Layer Systems”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 41(11), 1499(1998).
[3] Ludwig, Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants, 3rd ed., 2, Gulf Professional Publishing, 230(1979).
[4] Leva, M., Weintraub, M., Grummer, M., Pollchik, M., & Storch, H. H. Fluid Flow through packed and Fluidized systems. United States, Bureau of Mines, Bulletin 504 (1951).
[5] E. Ozahi, Gundogdu, M.Y., Carpinlioglu, M.O., “A Modification on Ergun’s Correlation for Use in Cylindrical Packed Beds With Non-spherical Particles”,Advanced Powder Technology,19,369(2008).
[6] Wu, J., Yu, B., Yun, M., “A resistance model for flow through porous media” Transp Porous Med,71, 331(2008).
[7] S. Ergun, Fluid flow through packed columns, Chem. Eng. Prog. 48, 89(1952).
[8] Cohen, Y., Metzener, A. B.,”Wall Effects in Laminar Flow of Fluids through Pocked Beds”, AlChEJ.,  27(5), 705 (1981).
[9] Foumeny, E. A., Benyahia, F., Castro, J. A. A., Moallemi, H. A., Roshani, S., “Correlations of pressure drop in packed beds taking into account the effect of confining wall”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 36(2), 536 (1993).
[10] W. Reichelt, Zur Berechnung des Druckverlustes einphasig durchströmter Kugel- und Zylinderschüttungen, Chem. Ing. Tech., 44, 1068 (1972).
[11] Eisfeld. B., Schnitzlein. K., “The influence of confining walls on the pressure drop in packed beds”, Chem. Eng. Sci., 56, 4321 (2001).
[12] Atmakidis, T., Y. Kenig, E., “CFD-based analysis of the wall effect on the pressure drop in packed beds with moderate tube/particle diameter ratios in the laminar flow regime”, Chem. Eng. J., 155, 404(2009).
[13] D. Sebastia-Saez et al.” Meso-scale CFD study of the pressure drop, liquid hold-up, interfacialarea and mass transfer in structured packing materials”, International Journal of Greenhouse Gas Control, 42,399 (2015).
[14] Caulkin,R., Jia, X., Fairweather, M., Williams, R.A., “Predictions of Porosity and Fluid Distribution through Nonspherical-Packed Columns”, AIChEJ., 58(5), 1503 (2012).
 [15] Boyer, C., Koudil, A., “Study of liquid spreading from a point source in a trickle bed via gamma-ray tomogeraphy and CFD simulation”, Chem. Eng. Sci., 60, 6279(2005).
[16] Liu, S., Long, J.,” Gas–liquid countercurrent through packed towers”, Journal of Porous Media, 2(2), 99(2000).
[17] de Klerk, A.,” Voidage Variation in Packed Beds at Small Column to Particle Diameter Ratio”, AIChEJ, 49(8), 2022(2003).
[18] Sun C. G., Yin. F. H., Afcan. A., Nandakumar. K., and Chuang. K. T., “Modeling and Simulation of Flow maldistribution in random packed columns with gas-liquid countercurrent flow”, Trans. IChemE., 78(Part A), 378 (2000).
[19] Yin F. H., Sun C. G., Afacan A., Nandakumar K., Chuang K. T.,” CFD Modeling of Mass-Transfer Processes in Randomly Packed Distillation Columns,” Ind. Eng. Chem. Res., 39, 1369(2000).
[20] Jiang Y., Khadilkar Mohan R., Al-Dahhan Muthanna H., Dudukovi Milorad P.,” CFD modeling of multiphase flow distribution in catalytic‏ ‏packed bed reactors: scale down ‎issue”, Catalysis Today, 66, 209(2001).
[21] ‏ Liu G.B., Yu K.T., Yuan, X.G., Liu C.J., Guo Q.C., “Simulations of chemical absorption in pilot-scale and industrial-scale packed columns by computational mass transfer”, Chem. Eng. Sci., 61, 6511(2006).
[22] Liu,G,B .,Yu ,K.T., “A numerical method for predicting the performance of a randomly packed distillation column” , ‏ International Journal of Heat and Mass Transfer, 52 ,5330(2009).
[23] Fourati, M., Roig, V., Raynal, L.,”Liquid dispersion in packed columns: Experiments and Numerical modeling”, Chem. Eng. Sci. (2013).
[24] Geankoplis, Christie J. Transport Process and Unit Operations.3rd ed.
Prentice Hall: New Jersey, chapter 3 (2003).
[25] Iliuta I., Larachi F., “Three-dimensional simulation of gas-liquid concurrent down flow in vertical, inclined, and oscillating packed beds, AIChEJ, 62(3), p.916(2016).