Režimy toku ve vícefázových plyno-kapalinových soustavách

Pracovník Ústavu chemických procesů AV ČR doc. Marek Růžička obhájil disertaci Režimy toku ve vícefázových plyno-kapalinových soustavách před komisí Chemické inženýrství a získal vědecký titul „doktor chemických věd“. Doc. M. Růžička je v oblasti chemického inženýrství výraznou vědeckou osobností; značným způsobem posunul současné znalosti o plyno-kapalinových reaktorech, a to zejména díky respektování škálového charakteru vícefázových soustav a unikátní syntéze experimentálního, teoretického a numericko-simulačního přístupu, v této oblasti chemického inženýrství zcela neobvyklé.

Foto: Archiv autora

Vícefázová hydrodynamika se zabývá studiem proudění heterogenních soustav složených z více než jedné fáze. Pod pojmem „fáze“ rozumíme makroskopicky rozlišitelnou komponentu směsi, která je nemísitelná s fázemi ostatními. Například proudění kapalin a plynů je jednofázové. Avšak proudění plynů obsahujících kapky nebo tuhé částice je vícefázové. Podobně vícefázové je proudění kapalin obsahujících bubliny, kapky či tuhé částice. V nejjednodušším případě existují pouze dvě fáze, z nichž jedna je spojitá a druhá je v ní rozptýlena ve formě diskrétních částic. Příkladem toho je sodovka, dvoufázový plyno-kapalinový systém, v němž je spojitou fází voda a nespojitou fází bubliny plynu. Velké množství proudících systémů v přírodě i v lidmi vytvořených technologiích je vícefázových. V průmyslových aplikacích je třeba kontaktovat různé fáze, aby proběhly žádoucí transportní a reakční děje.
Předmětem doktorské disertace je studium základních rysů chování plyno-kapalinových soustav v chemicko-inženýrských systémech, jejichž typickým reprezentantem jsou probublávané kolony. Disertace má formu komentáře k souboru vědeckých prací publikovaných v odborných časopisech a pokrývá asi 15 let intenzivního výzkumu. Materiál je strukturován do tří různých úrovní rozlišení: mikro-, mezo- a makro-.
Na úrovni malého měřítka byly studovány elementární jevy spojené se vznikem jednotlivých bublin na ponořených otvorech. Proces tvorby bublin je složitý hydrodynamický proces s výrazně nelineárním charakterem. Cílem bylo porozumět základním režimům tvorby bublin jak na izolovaných otvorech perforovaných pater, tak i při jejich vzájemné interakci. Podařilo se experimentálně identifikovat periodické a aperiodické režimy a vymezit podmínky jejich existence. Byla navržena teorie pro detailní popis procesu tvorby bublin.
Na úrovni středního měřítka byly studovány hydrodynamické interakce v omezených souborech bublin. Byly zvoleny jednorozměrné soubory – řetězce bublin, neboť jen pro tento případ bylo k dispozici dostatek podkladů potřebných k vybudování chybějící celistvé teorie. Řešení modelu jsou v souladu s dostupnými experimentálními daty a je třeba ještě mnohých měření k otestování dalších predikcí teorie (vertikální stabilita klastrů, perzistentní oscilace, šíření poruch a vln po hydrodynamických transmisních médiích apod.).
Na úrovni velkého měřítka byly studovány klíčové jevy týkající se proudění plyno-kapalinových směsí v aparátech kolonového typu, které se často používají v aplikacích. Cílem bylo probádat dva základní režimy toku v těchto soustavách: homogenní a heterogenní. Byl vypracován jejich modelový popis, pochopeny mechanismy jejich přechodu, vybudována teorie stability, vypracována metoda pro určení kritického bodu z naměřených dat a provedeny parametrické studie.
Výzkum tak navázal na dlouholetou vícefázovou tradici, která v našem ústavu započala v 60. letech 20. století (G. Standard, F. Kaštánek, J. Zahradník). Počátek nové éry lze datovat do r. 1993, kdy bylo pod vedením prof. Jiřího Drahoše založeno nové Oddělení vícefázových reaktorů.
MAREK RŮŽIČKA,
Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i.