Multiphase flow in industrial scale draft tube reactor
Heikkinen, Robert (2017)
Diplomityö
Heikkinen, Robert
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112250820
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112250820
Tiivistelmä
In this thesis, industrial scale draft tube reactor was simulated with a commercial computation fluid dynamics (CFD)-software, ANSYS Fluent 18.0. Gas-liquid mixing was simulated in a commercial reactor, OKTOP®9000, agitated draft tube reactor (985m3). The geometry of the reactor was created in laboratory scale earlier for FERMATRA studies, which was then scaled-up with some modifications to improve simulation stability. Euler-Euler steady-state per-phase model was used to simulate the gas-liquid process. Phases that were considered in the simulation were water-ethanol 3% solution (continuous phase) and air (dispersed phase). Impeller was modeled with impeller boundary condition model (IBC). The literature part of this thesis reviews CFD simulations regarding scale-up and general scaling-up procedures for different multiphase processes with the emphasis on agitated vessel, gas-liquid and bioreactor scaling-up that are studied in this work.
The objectives of this thesis were to (1) study drag laws that could be applied to the simulation process, (2) make sensitivity analysis on the effect of bubble size, (3) perform an analysis on the flooding point, (4) analyze how gas feed affects the mass transfer and (5) develop a method for a utility scale model that can be achieved in realistic computational time.
The most important interfacial interphase force in this kind of system is the force which acts on the bubbles that is a result from the mean relative velocity between phases, the turbulent drag force. Gas-liquid stirred vessels are dominated by drag, buoyancy and convection. Since the reactor in this study had a relatively low gas volume per vessel volume per minute (vvm) only drag force had the most significant impact on the flow and other forces such as lift force and added mass force were negligible. The drag model that was used for the simulations was Schiller-Naumann with Lane’s correlation that counts for relative velocity between phases. Also, the effect of swarm of bubbles by Roghair et al. (2013) was implemented to the Lane’s correlation.
The steady-state simulations took ~18h (3.70GHz quad-core processor and 8GB RAM) each and were done with average bubble size of 3mm and gas feeds from 1980 to 15000m3/h. The bubble sensitivity analysis revealed that the main variables (gas hold-up and mass transfer) follow 2nd degree polynomial curve if average bubble size is changed. The flooding point was close to 9000m3/h and mass transfer rate ranged from 0.0394 to 0.1074s-1 until the flooding point. Tässä työssä simuloitiin monifaasi-virtaus teollisen mittakaavan imuputkireaktorissa käyttäen ANSYS Fluent 18.0 laskennallisen virtausmekaaniikan (CFD) ohjelmaa. Simulaatiot perustuivat kaupalliseen imuputkireaktoriin, OKTOP®9000:een (985m3). Simuloitava geometria oli aiemmassa työssä laadittu laboratorimittakoossa, joka skaalattiin isommaksi. Monifaasi-simulointeihin käytettiin Euler-Euler faasikohtaista mallia. Käytetyt faasit olivat neste (vesi-etanoli 3% liuos) ja kaasufaasi (ilma). Sekoitin oli mallinnettu reunaehtomallin (IBC) mukaisesti. Työn kirjallisuusosuudessa käydään läpi yleisiä prosessien skaalausmetodeja ja kuinka skaalaus tulee ottaa huomioon tehdessä CFD simulaatioita. Sekoitussäiliöt, kaasu-neste sekä bioreaktorit on otettu erityisesti esille tähän työhön liittyen.
Tämän työn tarkoituksena oli (1) tutkia väliaineen vastuslakeja, joita voitaisiin käyttää kyseisen prosessin simulointiin, (2) tehdä herkkyysanalyysi kuplakoon vaikutukselle, (3) simuloida mahdollinen sekoittimen tulviminen, (4) analysoida kuinka kaasunsyötön lisäys vaikuttaa faasien väliseen aineensiirtoon ja (5) valita sopivat menetelmät, joilla täyden mittakaavan simulaatiot voidaan toteuttaa realistisessa ajassa.
Kaasu-nestesysteemeissä tärkein faasien rajapinnalla vaikuttava voima on sellainen, joka vaikuttaa kupliin. Tämä johtuu faasien välisestä suhteellisesta nopeudesta, turbulenttisestä väliaineen vastusvoimasta. Väliaineen vastus, noste ja konvektio ovat dominoivia voimia kaasu-nestesekoitussäiliöissä. Tässä työssä tutkitussa reaktorissa oli kuitenkin suhteellisen alhainen kaasun tilavuusvirta minuutissa suhteessa nesteen tilavuuteen (vvm), joten väliaineen vastus on ainut huomioitava voima, joka vaikuttaa nestevirtaukseen. Noste ja massan aiheuttama vastus ovat lähes olemattomia. Tämän takia simulaatioissa käytettiin väliaineen vastuksena Schiller-Naumannin mallia, jota oli muokattu Lanen korrelaatiolla. Korrelaatioon oli lisätty myös Roghairin esittämä kuplaparven vaikutus.
Yksi simulaatio kesti n.18h 3.70GHz neljän ytimen prosessoria ja 8GB RAM-muistia käyttäen. Simulaatioissa käytettiin keskiarvoista 3mm kuplakokoa ja kaasusyöttö vaihteli 1980 ja 15000m3/h välillä. Kuplakoon herkkyysanalyysistä saatiin selville, että käytettäessä yhtä kuplakokoa, kaasun osuus reaktorissa sekä aineensiirtonopeus noudattavat toisen asteen polynomifunktiota. Sekoittimen tulvimispiste oli 9000m3/h läheisyydessä ja aineensiirtonopeus tulvimispisteeseen eri kaasusyötöillä nousi 0.0394:stä 0.1074s-1.
The objectives of this thesis were to (1) study drag laws that could be applied to the simulation process, (2) make sensitivity analysis on the effect of bubble size, (3) perform an analysis on the flooding point, (4) analyze how gas feed affects the mass transfer and (5) develop a method for a utility scale model that can be achieved in realistic computational time.
The most important interfacial interphase force in this kind of system is the force which acts on the bubbles that is a result from the mean relative velocity between phases, the turbulent drag force. Gas-liquid stirred vessels are dominated by drag, buoyancy and convection. Since the reactor in this study had a relatively low gas volume per vessel volume per minute (vvm) only drag force had the most significant impact on the flow and other forces such as lift force and added mass force were negligible. The drag model that was used for the simulations was Schiller-Naumann with Lane’s correlation that counts for relative velocity between phases. Also, the effect of swarm of bubbles by Roghair et al. (2013) was implemented to the Lane’s correlation.
The steady-state simulations took ~18h (3.70GHz quad-core processor and 8GB RAM) each and were done with average bubble size of 3mm and gas feeds from 1980 to 15000m3/h. The bubble sensitivity analysis revealed that the main variables (gas hold-up and mass transfer) follow 2nd degree polynomial curve if average bubble size is changed. The flooding point was close to 9000m3/h and mass transfer rate ranged from 0.0394 to 0.1074s-1 until the flooding point.
Tämän työn tarkoituksena oli (1) tutkia väliaineen vastuslakeja, joita voitaisiin käyttää kyseisen prosessin simulointiin, (2) tehdä herkkyysanalyysi kuplakoon vaikutukselle, (3) simuloida mahdollinen sekoittimen tulviminen, (4) analysoida kuinka kaasunsyötön lisäys vaikuttaa faasien väliseen aineensiirtoon ja (5) valita sopivat menetelmät, joilla täyden mittakaavan simulaatiot voidaan toteuttaa realistisessa ajassa.
Kaasu-nestesysteemeissä tärkein faasien rajapinnalla vaikuttava voima on sellainen, joka vaikuttaa kupliin. Tämä johtuu faasien välisestä suhteellisesta nopeudesta, turbulenttisestä väliaineen vastusvoimasta. Väliaineen vastus, noste ja konvektio ovat dominoivia voimia kaasu-nestesekoitussäiliöissä. Tässä työssä tutkitussa reaktorissa oli kuitenkin suhteellisen alhainen kaasun tilavuusvirta minuutissa suhteessa nesteen tilavuuteen (vvm), joten väliaineen vastus on ainut huomioitava voima, joka vaikuttaa nestevirtaukseen. Noste ja massan aiheuttama vastus ovat lähes olemattomia. Tämän takia simulaatioissa käytettiin väliaineen vastuksena Schiller-Naumannin mallia, jota oli muokattu Lanen korrelaatiolla. Korrelaatioon oli lisätty myös Roghairin esittämä kuplaparven vaikutus.
Yksi simulaatio kesti n.18h 3.70GHz neljän ytimen prosessoria ja 8GB RAM-muistia käyttäen. Simulaatioissa käytettiin keskiarvoista 3mm kuplakokoa ja kaasusyöttö vaihteli 1980 ja 15000m3/h välillä. Kuplakoon herkkyysanalyysistä saatiin selville, että käytettäessä yhtä kuplakokoa, kaasun osuus reaktorissa sekä aineensiirtonopeus noudattavat toisen asteen polynomifunktiota. Sekoittimen tulvimispiste oli 9000m3/h läheisyydessä ja aineensiirtonopeus tulvimispisteeseen eri kaasusyötöillä nousi 0.0394:stä 0.1074s-1.