1  

Chapter 12 Noel de Nevers – Gas – Liquid Flows  Fall 2008 

Why is it important? 

Table 1:  Classification of Gas‐Liquid Equipment (In most of these the liquid is the continuous phase) 

2‐Phase Flows  Heat Exchangers with a change of phase 

Gas‐Liquid Contactors  (no reaction) 

Chemical Reactors  2‐phase and multiphase 

• Petroleum reservoir with recovered gas and liquid in line 

• CO2 Pressurized pub taps 

• Bubbles in Guinness Style Beers 

• Carburetor 

• Drip Coffee Maker • Thermosiphon • Reboiler • Boilers • Condensors 

• Distillation • Gas absorption in 

a packed column  

• Fermentors • Waste/Chemical 

treatment lagoons • Hydrogenation • Oxidation • Partial Oxidation • Chlorination • Hydration • Hydroformylation • Organic Synthesis:  

alkylations, alkoxylations, aminations, carbonylations 

Several lists of 2‐phase and multiphase reactions are given in the text by W.‐D. Deckwer.1     

 

Figure 1:  Typical Drip Style Coffee Machine 

How does the liquid flow uphill without a pump? 

How much liquid is boiled? 

leaching andfiltration

C ondenser and D istributor

heat transfer

tubular heaterw ith tw o-phase flow

one-w ay valve

C offee B eans

bypass lever

tim er, sw itchtherm al fuses, and dig ital display

AC Pow ertherm al sw itch

no-drip valve

2  

 

Figure 2:  Rowan Distillation Column with Thermosiphon Reboiler 

 

 

 

Figure 3:  Depiction of a Thermosiphon (or Thermosyphon) Reboiler1 

3  

 

Intellectual Property:  US Patent 4832968 

Foam production Shear-induced nucleation

Tiny Hole 0.061 cm diameter - laser-bored

Material Polypropylene

Manufacturing Blow molding

Volume of liquid 15 ml

Gas mixture for pressurization N2 (2% v/v), CO

2 (150% v/v), supersaturated

Pasteurization After sealing, 60°C, 15-20 min

 

Show Movie of Tank‐Type Gas‐Liquid System – 

Visual Mixing2,3 

Gas Dispersion Movie 

 

Drop Breakup Movie 

   

4  

Gas‐Sparged Chemical/Waste Treatment Systems 

 

Gas Plumes in Lagoon from work of Dr. Gephardt4 

5  

 

Figure 4:  Multiplume Flow Regime5 

 

Figure 5:  Macroscale Fluid Flow Pattern 

What do we need to know to design these systems? 

   

6  

 

7  

 

 

 

   

Figure 6:  Flow Mapping for Horizontal Pipe Flow from Denn6

8  

 

Figure 7:  Rise Velocity of Air Bubbles in Water at 20°C7 

Part 1 ended here with references 

   

9  

Bubble Column:  Volumetric Mass Transfer Coefficients 

 

Figure 8:  Volumetric mass Transfer Coefficients as a function of gas velocity in Bubble Column water‐air systems.1  Equation 

plotted is by Akita and Yoshida.  The units of 

 

The equation plotted in Figure 8  

D0.6

D

.

⁄.   (1)

 

An approximate equation for gas holdup  

 or .

 

 (2)

Substituting gives 

10  

. . 

 (3)

Liquid‐Liquid Dispersions in various systems 

 

Figure 9:  Relation of drop sizes in agitated systems using a Local Power per unit mass2,8 The local power for an agitated system is defined as the power input into the fluid divided by the mass within ½ of the swept out volume of the impeller.  (e.g. swept out volume  D⁄2 )  where D is the impeller Diameter and W is the impeller blade width 

. 

 (4)

The value of   is between 0.5 and 1.0. 

 

                                                            1 Deckwer, W. –D., Bubble Column Reactors, John Wiley and Sons, New York, 1992. 2 Paul, E. D. V. A. Atiemo-Obeng, and S. M. Kresta, “Introduction of the Handbook of Industrial Mixing”, Wiley,

2004. 3 Visual Mixing CD by S. Kresta and K. Boyle included with the text by Paul, E. D. V. A. Atiemo-Obeng, and S. M.

Kresta, “Handbook of Industrial Mixing”, Wiley, 2004 4 Otero, Z., J.N. Tilton, T.W.F. Russell, “Some observations on flow patterns in tank‐type systems International Journal of Multiphase Flow,” 11(4), July‐August 1985, Pages 583‐589. 5 Russell, T. W. Fraser, A. S. Robinson, N. J. Wagner, “Mass and Heat Transfer:  Analysis of Mass contactors and Heat Exchangers, Cambridge University Press, 2008 6 Denn, M. M. Process Fluid Mechanics, Prentice‐Hall, Inc. Englewood Cliffs, NJ 1980. 7 Clift, R., J. R. Grace, M. E. Weber, “Bubbles, Drops and Particles,” Academic Press, Inc. Boston, 1978. 8 Davies, J. T., “A Physical Interpretation of Drop Sizes in Homogenizers and Agitated Tanks, Including the Dispersion of Viscous Oils.” Chemical Engineering Science, 42(7) pp1671‐1676 (1987)