Evaluation of mass transfer in circulating fluidized bed riser using numerical methods

Abstract

Circulating fluidized beds (CFB) offer excellent mixing and heat transfer rates, making them widely used technology in different energy conversion and chemical process applications. They exhibit complex gas-solid flow structure inside the riser and their performance depends on hydrodynamical phenomena happening inside the system. Therefore, a good understanding of the flow characteristics inside the riser is important in CFB design and scale-up processes. Experimental methods can be used to gain some insight of the flow, but they are often limited due to the complexity of the heterogenous gas-solid flow. Therefore, computational fluid dynamics has become an essential tool for CFB system design and modeling.

The goal of this thesis is to study the possibility of determining solid flow from core region to wall layer region in CFB riser using numerical simulations. 3D simulations were used to evaluate bed material mass transfer rates and wall layers formation inside the riser. Eulerian two-fluid model simulations were done for a lab-scale riser using Geldart group B particles. Results from two cases with different amounts of bed material were time-averaged for 30 seconds and it was shown that the solids radial flows as well as location of wall layer can be determined numerically. The prediction for radial flux varies between different postprocessing methods, especially at the upper and lower parts of the riser.

Kiertopedit mahdollistavat erinomaisen lämmönsiirron sekä faasien sekoittumisen, mikä tekee niistä yleisesti käytetyn teknologian eri energian muunnos- sekä kemiallisissa prosessi sovelluksissa. Kiertopetireaktorin sisältämä kaasun ja kiintoaineen virtauskenttä on monimutkainen ja niiden toiminta riippuu systeemin sisäisistä hydrodynaamisista ilmiöistä. Siksi nousuputken virtauksen ominaisuuksien ymmärtäminen on tärkeää kiertopetien suunnittelun ja mallinnuksen kannalta. Kokeellisilla menetelmillä saadaan jotain tietoa virtauksesta, mutta virtauksen monimutkaisuus ja heterogeenisuus rajoittaa kokeellisten menetelmien käytettävyyttä. Siksi numeerista menetelmistä on tullut olennainen osa kiertopetien suunnittelussa ja mallintamisessa.

Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia kiertopedin kiintoaineen seinämävirtauksen massansiirron selvittämisen mahdollisuutta numeerisin menetelmin. Petimateriaalin massansiirtoa ja seinämäkerroksen muodostumista arvioitiin 3D simulointien avulla käyttäen Eulerilaista kaksifaasi mallia. Simuloinnit tehtiin laboratoriokoon kylmämallille, jossa on Geldart B luokan hiukkasia. Simuloinnit tehtiin kahdesta eri tapauksesta ja tulokset aikakeskiarvoistettiin 30 sekunnin ajalta. Työssä todettiin, että kiintoaineen radiaalisuuntaiset virtaukset sekä seinämäkerroksen sijainti voidaan määrittää numeerisesti. Eri jälkikäsittelymenetelmien avulla määritettyjen radiaalivirtausten välillä on eroja, etenkin reaktorin ylä- ja alaosissa.