Cfd Sımulatıon Of Multıphase Sulphur Removal Reactor Samum

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2016-01-26
Yazarlar
Erdoğan, Mert
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Özet
Fosil yakıt rezervlerinin giderek tükenmesi, önem kazanan çevre bilinci ve sürdürülebilir enerji kaynaklarına olan yönelimler gaz temizleme teknolojilerinde tasarım değişikliklerini kaçınılmaz kılmaktadır. Uzun yıllar süren oluşumu boyunca, fosil yakıtlar, kükürtlü bileşiklerle temasta bulunmuş, dolayısıyla bu tür yakıtların kükürt muhteviyatları artmıştır. Biyokütlelerde ise, kükürtlü bileşikler ile uzun süreli temaslar mevcut olmadığından, ileriki süreçlerde de giderilmesi gereken kükürt miktarı, fosil kökenli yakıtlara oranla oldukça azdır. Bu durum, yüksek miktarda kükürtlü bileşiklerin (H2S, SO2, COS vb.) rahatlıkla temizlenebildiği, fakat yeterince düşük seviyelere indirilemediği, dietanol amin, monoetanol amin gibi aminli bileşikler ile absorblamaya dayalı asit gaz yıkama prosesleriden, asit gazların katı yüzey üzerinde adsorbsiyonlanmasına ve/veya reaksiyonuna dayalı gaz temizleme proseslerine geçişin önemini arttırmaktadır. Adsorbsiyona dayalı asit gaz temizleme proseslerinin tercih edilmesinin bir diğer ve en önemli nedeni ise bu prosesin yüksek sıcaklıklarda da oldukça yüksek verimle asit gazları temizleyebilme özelliğidir. Biyokütleden gazlaştırma yöntemiyle elde edilen sentez gazının temizlenmesi söz konusu olduğunda, gazlaştırma ünitesinin yüksek sıcaklıklarda çalışması nedeniyle, bu yöntem, gazlaştırıcıdan çıkan sentez gazını, soğutma, basınçlandırma gibi işlemler gerekmeksizin temizleyebilmektedir. Amin çözeltileriyle absorblamaya dayalı prosesler ancak yüksek basınç ve düşük sıcaklıklarda verimli çalışabildikleri için, basınçlandırma ve soğutma ekipmanlarına ihtiyaç duymayan adsorblamaya dayalı gaz temizleme prosesleri, bu ekipmanlara ihtiyaç duyan absorbsiyona dayalı gaz temizleme sistemlerine göre üstünlük gösterirler. Yüksek sıcaklıklarda yüksek gaz temizleme performansı göstermelerinden dolayı bu prosesler "Yüksek Sıcaklık Gaz Temizleme Prosesi" olarak adlandırılırlar. Katı adsorban üzerinde adsorbsiyona dayalı gaz temizleme proseslerinde en çok tercih edilen yöntem sabit yataklı reaktörlerdir. Fakat bu reaktör tipinde, ön proseslerden yüksek miktarda kükürt geldiği durumlarda, yatak hızlı bir şekilde doygunluğa ulaşmakta ve yatağın değiştirilmesi gerekmektedir. Sistemi devre dışı bırakıp devreye alma maliyetlerinden kurtarmak için sürekli bir yöntemin önerilmesi gerekmektedir. Bu amaçla sürüklemeli akış yöntemi uygun görülmüştür. Bu yöntem esasen adsorbanın, hali hazırda gazlaştırma ünitesinden gelen sentez gazıyla beraber sürüklenirken temasından ibarettir. Bu sistemin akışkan yataklı sistemden farkı, bu yöntemde, yoğun katı partikül yüklü yatağın ham sentez gazıyla akışkanlaştırılıp fazlar arası temas sağlanması yerine, adsorban (Sodyum karbonat) çözeltisinin sıcak kirli sentez gazı üzerine direk püskürtülmesi ve reaktörde bu iki fazın beraber ilerleyerek reaksiyonun ilerlemesi esasına dayanır. Asit gazların (H2S ve HCl), adsorbanla (Sodyum karbonat) reaksiyonu sonucu sodyum sülfür ve sodyum klorür meydana gelir. Adsorbanın (Na2CO3) püskürtülebilir kılınması için %10'luk sulu çözeltisi hazırlanır. Bu çözelti bir atomizer yardımı ile temizlenecek gaz üzerine püskürtülür. Çözeltisinin kurumasında gerekli olan enerji (buharlaşma entalpisi) sıcak gaz tarafından sağlanır. Çözeltinin sisteme püskürtülmesiyle, sistem, katı faz (damlacıklar ve daha sonra katı adsorban tanecikleri) ve akışkan faz (sentez gazı) olmak üzere ikili bir fazlı bir hale gelir. Damlacıkların buharlaşması ve reaktif asit gazların (H2S ve HCl) adsorbanla reaksiyonu nedeniyle fazlar arası ısı ve kütle transferi mevcuttur. Ayrıca damlacıkları akışkan faz içine püskürtülmesi ve ardından hem partiküllerin hem de akışkan fazın birbirini karşılıklı olarak etkilemesinden dolayı fazlar arası momentum transferi de söz konusudur. Bu tez, Karlsruhe Teknoloji Enstitü (KIT)'sünde geliştirilmesi devam eden yüksek basınç yüksek sıcaklık sürüklemeli kükürt temizleme reaktörü SAMUM® 'un hesaplamalı akışkanlar dinamiği yaklaşımıyla modellenmesi ve reaktörün ömrünü etkileyen en büyük sorun olan reaktörün tıkanmasını önlemeyi amaçlamaktadır. SAMUM reaktöründe çözelti yüksek poröziteye sahip, yüksek sıcaklığa dayanıklı bir filtre kartuşunun içinde püskürtülür. Temizlenecek olan sentez gazı bu kapsülün dışından verilir ve kapsülün içine girerek bir radyal hız meydana getirir. Bu radyal hız partiküllerin duvara yapışmasını engelleyen en etkili sistem parametresidir. Eğer partiküllerin radyal momentumu bu hız dolayısıyla oluşan sürtünme kuvvetine karşı galip gelirse partikül duvara çarpacaktır. Duvara çarpan partikülün duvarda kalıp, burada birikme yapıp sonunda reaktörü tıkaması kuvvetle muhtemeldir. Poröz filtre duvarıyla temas eden partikülün burada kalması en kötü senaryo olduğundan, duvara çarpan partikülün duvara yapıştığı kabulü yapılmış ve duvara çarpan partikül miktarı tüm tez boyunca göz önüne alınıp minimize edilmeye çalışılmıştır. Bunun yanında ayrıca reaktörün atomizer arkasında kalan bölümüne partiküllerin ulaşması durumunda, uzun vadede kümülatif biçimde biriken partiküller katılaşarak reaktörü tıkama potansiyeline sahiptir. Dolayısıyla reaktörün çıkış yönünün tersine ilerleyen partiküller de göz önünde bulundurulup minimize edilmeye çalışılmıştır. Duvara çarpan ve geriye akan partikülleri minimize etmek için birçok sistem parametresi manipüle edilmiştir. Reaktör düzeneği 3 boyutlu olarak modellendiğinden dolayı taşınım olayları denklemleri ancak hesaplamalı akışkanlar dinamiği metoduyla, diferansiyel denklemlerin nümerik olarak çözülmüştür. Sonuçlar, hata oranı 0.001'e yakınsayana kadar iterasyonlar sürdürülmüştür. Sistemde türbülans oluşumu nedeni ile Navier – Stokes denklemelerini direk çözmek, sistemi çok ince ağlarla (mesh) örmeyi ve sistemi zamana bağlı çözmeyi gerektirdiğinden bu tür bir yaklaşım pratik olarak mümkün olmamış ve bir türbülans modeli kullanılması zorunlu hale gelmiştir. Türbülans modeli olarak yakınsama kolaylığı ve isabetliliği yüksek olmasından dolayı 2 denklemli Reynolds Ortalama Navier – Stokes (RANS) türbülans modellerinden k – ε türbülans modelinin RNG modifikasyonu tercih edilmiştir. Bunun nedeni, filtreden iç odaya geçen akımın, içerdeki akımla birleşirken gösterdiği davranışların ve sistemde oluşan girdaplı akışların, klasik k – ε yerine RNG k – ε modeli ile daha iyi temsil edileceğinin düşünülmesidir. Sistemde bulunan atomizerin modellenmesinde, günümüzdeki Navier – Stokes denklemlerinin hala etkili bir şekilde kullanılamamasından dolayı, bu kısım elle modellenmeye çalışılıp simülasyona eklenmiştir.Modellemede, kullanılan atomizerin geometri bilgilerini içeren katalog verilerini, Arthur H. Lefebvre'nin Atomization and Sprays kitabı ve Alman Mühendisler Derneği'nin (Verein Deutscher Ingenieure) yayınladığı Isı Atlası (Wärme Atlas) adlı ansiklopedisinde verilen metotlarla atomizerin oluşturduğu damlacıkların çıkış hızı ve çap dağılımları elle hesaplanıp, iki modelin arasından Isı Atlası' nda verilen metot tercih edilmiş ve çok boyutlu CFD modeline ayrık faz sınır koşulu olarak yerleştirilmiştir. Bu metoda göre kullanılan sprey en küçüğü 8μm, en büyüğü 157μm ve ortalama 75μm çapa sahip bir damlacıklar grubu üretmektedir. Dağılımın modellenmesinde Rosin – Rammler dağılım fonksiyonu tercih edilmiş olup dağılım 20 gruba ayrılmıştır. Her grup 500 tanecikle sistemde temsil edilmiştir. Damlacıkların şekillerinin küre olduğu kabul edilip, hesaplamalar bunun üzerinden yapılmıştır. Damlacıkların hareketlerini ve pozisyonlarını belirlemek için Newton'un hareket yasalarına dayanan ve düşük yoğunlukta katı yüklü sistemlerde yüksek doğruluk gösteren, ayrık faz modellemesi (Discrete Phase Modeling) tercih edilmiştir. Damlacık, yani ayrık faz ile gaz ortamı, yani sürekli faz arasındaki momentum transferi öncelikle sürtünme kuvveti olarak sisteme girilmiş, sürtünme katsayısı partikülün içinde bulunduğu hücrenin Reynolds sayısının bir fonksiyonu olarak girilmiştir. Ayrık faz ile sürekli faz arasındaki ısı ve kütle transferi modifiye Ranz – Marshall korelasyonu kullanılarak modellenmiştir. Bu modelin klasik Ranz – Marshall korelasyonundan farkı, yüksek kütle transferinin meydana geldiği damlacıkların buharlaşması olayını, Spalding sayısı ile, daha iyi temsil etmesidir. Damlacıkların artık kuruyup, sert yüzey oluşumu gözlendikten sonra klasik Ranz – Marshall korelasyonu, modifiye haline göre kuruma olayını daha iyi temsil etmeye başlar. Simülasyonun amacı, kuruma prosesini modellemekten ziyade damlacıkların filtre çeperine erişmelerini engellemek olduğundan, modifiye modelden klasik modele geçişin ayrık fazın su muhteviyatına bağlı bir fonksiyonla ifade edilmesi yerine sadece modifiye Ranz – Marshall korelasyonu kullanımı yeterli görülmüştür. Dolayısıyla kurutucu tasarımında kullanılan Kimyasal Reaksiyon Mühendisliği Yaklaşımı yerine, sabit buharlaşma entalpisi kullanılarak basit bir buharlaşma modeli kullanımı yeterli görülmüştür. Zira damlacıklar, atomizerden çıktıktan çok kısa bir süre sonra kapsül çeperine yapışmaktadırlar, uzun süreli kuruma olayına maruz kalmamaktadırlar. Buharlaşma nedeniyle su kütlesi azalan fakat katı kütlesi sabit kalan damlacıkların zamanla hem kütlesi, hem hacmi hem de yoğunlukları değişmektedir. Bu etki damlacıkların reaktör içinde sürüklenme davranışlarını etkilemektedir. Ayrıca partiküller de hava sürtünmesi, ısı transferi ve kütle transferi ile sürekli fazı etkilemektedir. Atomizer ağızındaki gazın hızlanması, sisteme giren hızlı partiküllerin beraberlerinde sürükleyerek hızlandırdığı gaz molekülleri sayesinde mümkün olur. Bu etkiyi simüle edebilmek için çift yönlü eşleme (Two-way coupling) yaklaşımı kullanılmaktadır. Bu yöntemde sadece akışkan faz ayrık faza etki etmemekte, aynı zamanda ayrık faz da sürekli faza etki etmektedir. Bunu sağlamak için ayrık fazın momentumu azaldığı oranda sürekli fazın aynı vektörlü hız denkleminin sağ tarafına (Source Term) eklenir. Aynı işlem buharlaşan madde kadar süreklilik denklemine ve kütle transferi denklemine, buharlaşma entalpisi dolayısıyla da ısı transferi denklemine yerleştirilerek eşlenik çözücü (Coupled solver) yardımıyla çözülür. Türbülans modeli kullanılmasından dolayı direk hesaplanmayan türbülans titreşimlerinin etkisini hesaplamak için partikül türbülans saçılımı yaklaşımı kullanılmıştır. Bu yöntemde salınım yapan hız vektörünün büyüklüğü, yerel türbülansın k denklemi ile ifade edilen kinetik enerjisinin bir fonksiyonu olarak, yönü ise normal dağılımlı rasgele üretilen bir sayı ile ifade edilir. Normal dağılım kullanıldığından dolayı, bu yöntem bir istatistiki bir yöntem olup oldukça yüksek partikül sayılarında kararlı sonuçlar vermektedir. Bu yüzden partiküller 10000 parçacık ile temsil edilmiştir. Elde edilen bu yeni değer, partiküle etki eden sürtünme kuvvetinin akışkan fazın hızı olarak yerleştirilir. Türbülansın etkisinin ne kadar süreceğini hesaplamak için, her partikül için hem ediyi geçme hızı (τcross) hem edinin yaşam süresi (τeddy) hesaplanır ve etkileşim süresi (τinteraction) olarak bunlardan küçük olanı seçilir. Bunun nedeni, bir ediyi baştan sona kat edebilecek momentuma sahip partiküllerin edinin yaşam süresinden daha kısa süre boyunca ediden kurtulmaları, edi içinde kalacak partiküllerin edi yok olana kadar edinin içinde kalmalarından dolayıdır. Bu yöntemle, direk olarak hesaplanmayan türbülans salınımlarının partikül davranışlarına etkisi hesaplanmış olur. Akışın türbülanslı olması nedeniyle duvara yakın olan bölgedeki hız gradientini yakalayacak sıklıkta ağ örülme gerekliliğini ortadan kaldırmak için bu bölgeye direk duvar modeli (Wall function) eklenmesi uygun görülmüştür. Ayrıca porlu yüzeyde sınır koşulu olarak, yüzeye erişen partiküllerin sayılarak ortamdan alındığı varsayımı yapılmış ve bu bir kod (UDF) yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Geçekte duvara yapışan partikül duvarda kuruyana kadar kalmakta, sıvı içeriği gaz faza geçmektedir. Fakat partikülün duvara yapıştıktan sonraki davranışları bu tezin ilgi ve kapsamı dışında kaldığından ve asıl amacın bu partiküllerin daha duvara erişmeden reaktör çıkışına sürüklenmesi amaçlandığından yapılan kabul makuldür. Ama bu durum, simülasyonda yapışan partiküllerin doğrudan sistemden alındığı için, filtre çeperine fazla yapışmanın olduğu durumlarda gerçek sistem ile model arasında uyuşmazlıklara yol açacaktır. Fakat duvara yapışmanın olmadığı veya en son modelde olduğu gibi, çok az olduğu durumlarda bu doğruluk sorunu ortadan kalkmaktadır. Partiküllerin filtreye yapışmalarını engellemek için 8 sistem parametresinde değişiklikler yapılıp sonuçları yorumlanmış ve minimum geri akış ve filtre duvarına yapışma için bunların bazı kombinasyonları "Primadonna" adı altında toplanmıştır. Sistemde manipüle edilen değişkenler: reaktörün pozisyonu, uzunluğu, filtre genişliği, atomizerin reaktör içindeki konumu, sprey açısı, ana gaz akış miktarı, partikül çap dağılımı ve yüzük hava üflemesi diye adlandırılan atomizer etrafından verilen ek gazdır. Reaktörün poziyonu, kurulu sistemde yataydır. Fakat özellikle 150μm gibi büyük çapa sahip damlacıklar üreten spreyler kullanıldığında, büyük damlacıklar yer çekiminin etkisiyle reaktörü terk edemeden filtre üzerine düşmektedirler. Dolayısıyla reaktör dik yerleştirilmelidir. Reaktörün boyunu kısaltmak, direk olarak akışkan fazın radyal hızını arttırmaktadır, bu da duvara hücum eden partikülleri yavaşlatmaya yarar. Reaktörü kısaltmak reaktörde kalma süresini azaltıp buharlaşmayı negatif yönde etkilediğinden tavsiye edilmemektedir. Yüzük hava üflemesi, 100 Nm3/h ana gaz akışının yüzdelik oranında (%0 – %5) atomizer etrafından verilmesi ile damlacıkları ileri sürükleyerek, duvara gelmelerini engellemek amacıyla tasarlanmıştır. Bu amacı yerine getirmede başarılı olsa da damlacıkları geriye akışını arttırdığından dolayı optimal değer olarak %1 belirlenmiştir. Atomizer pozisyonu, atomizerin reaktör içinde ne kadar ileri yerleştirildiğini ifade eder ve belirlenmesi gerekir. 15, 125 ve 250 mm içeride yapılan denemelerde, spreyin içeri sokulmasıyla duvara yapışan partikül sayısı azalmaktadır. Bunun nedeni, reaktörde çıkış yönünde kümülatif olarak daha fazla akışkan akması, bunun da partikülleri daha kuvvetli itmesidir. Fakat atomizerin ileri yerleştirilmesi, reaktörde kalma süresini negatif etkilediğinden 15 mm olan sprey pozisyonu yeterli görülmüştür. Partikül çap dağılımı, duvarda partikül birikimini etkileyen önemli parametrelerden biridir. Büyük damlacıklar büyük momentumlara sahip olduğundan, bu damlacıkların durdurulması küçük damlacıklara oranla daha zordur. Öte yandan küçük damlacıklar türbülanstan etkilendikleri için duvara yakın oluşan girdaplardan negatif yönde etkilenirler. Küçük çaplı damlacıklar kütle başına daha fazla yüzey alanına sahip oldukları için buharlaşma açısından, küçük çaplı damlacıklar sistem için daha uygun görülmüştür. Sprey açısı, tamamen atomizerin iç dinamiklerine bağlı olup, üreticiler tarafından ayarlanır. Sistemde kullanılan sprey 50° açıya sahiptir. Fakat bu değer ancak 20° olduğunda duvar birikiminde önemli bir azalma sağlanabilmektedir. Filtre iç çapı, kurulu sistemde 40 mm'dir. Bu değeri % 50 arttırmak partiküllerin filtreye ulaşmadan daha fazla yol almalarını gerektirdiğinden ve bu yol boyunca daha fazla frenleme sağlanacağından önemlidir. Fakat tek başına ancak % 0,8'lik bir iyileşme gerçekleştirir. Lakin düşük sprey açısı ve küçük damlacık çapı gibi diğer parametrelerle kombine edildiğinde oldukça etkili olmaktadır. Ana gaz akımı, damlacıkları pozitif radyal yöndeki ilerlemelerini frenleyen akışkanın radyal hız komponentini oluşturduğundan en önemli parametredir. Kurulu düzenekte 50 Nm3/h olan akımın duvar birikiminde son derece yetersiz kaldığı anlaşılmış ve partikül çap dağılımına bağlı olarak bu değerin 5 veya 8 katına çıkarılması gerektiği belirlenmiştir. Elde edilen veriler ışığında, optimum reaktör özellikleri "Primadonna" adı altına toplanmış ve büyük çaplı damlacık dağılımı (8 – 157μm) için "Primadonna – I", küçük çaplı damlacık dağılımı için (8 – 60μm) için "Primadonna – II" adlı tasarımlar öne sürülmüştür. "Primadonna – I" 500 mm reaktör uzunluğu, 60 mm reaktör çapı, 15mm'de sprey ve dikey reaktör yerleşimi ve 400 Nm3/h ana gaz akımı ile partikül bazında 387.5 defa duvarda birikmeyi azaltmakta ve kuruma oranını, kurulu sisteme göre %168.7 oranında arttırmaktadır. Duvar birikim sorunu %99.79 oranında çözülmüştür. "Primadonna – II" 500 mm reaktör uzunluğu, 60 mm reaktör çapı, 15mm'de sprey ve dikey reaktör yerleşimi ve 250 Nm3/h ana gaz akımı ile partikül bazında 1356.5 defa duvarda birikmeyi azaltmakta ve kuruma oranını, kurulu sisteme göre %291.85 oranında arttırmaktadır. Duvar birikim sorunu %99.975 oranında çözülmüştür (duvara çarpan damlacık sayısı baz alınarak).
Transition from fossil derived fuels to biomass derived ones has increased the pressure on the design alteration of Acid Gas Removal Systems. Since biomass derived by-products don't reach high impurity levels, adsorption based acid gas removing technologies are favoured over amine scrubbing systems, where high amounts of sulphur compounds can be removed easily but their satisfactorily low levels cannot be reached. Another advantageous trait of the adsorption based acid gas removal systems is their capacity to work at high temperatures, which saves immense energy costs, when compared to the conventional scrubbing processes, where gases to be cleaned have to be cooled and pressured. Although fixed catalyst bed reactors are able to work at high temperatures and reduce the impurity levels to a satisfactory point; Under circumstances where high impurity containing syngas feed is introduced, reactor bed has to be replaced, which makes the shut down and start-up costs are unavoidable. To work around this problem, a continuous set up of this kind gas treatment system has to be asserted. For this purpose, entrained flow reactor is chosen; where 10% water solution of adsorbent (Sodium Carbonate) is sprayed through a nozzle inside a filter capsule directly on hot raw syngas, which is fed directly from gasifier unit. The sorbent solution and raw syngas are entrained towards the exit of the reactor, while reacting with each other. This thesis was written on the Acid Gas Removal Reactor SAMUM®, which is currently under development at Karlsruhe Technology Institute (KIT). Since the system is consisting of two phases (solid and fluid), there is a threat (clogging) to the long-term usage of the reactor. The clogging of the reactor may be either by filter wall accretion of the particles or by back-flying of particles, where particles are accumulated at the rear part of the reactor. In order to prevent these evidents, the flow and particle-fluid interactions have to be studied vigorously. For this purpose a CFD model of the multiphase reactor is developed. The reactor is modelled 3D and iterations are continued until convergence reaches the value of 0.001. Due to the presence of turbulences in the reactor, RNG modification of the RANS k – ε model is implemented. Due to the insufficiencies of modelling atomization with CFD approach, atomizer is modelled both with the help of approaches supplied by the book "Atomization and Sprays" written by Arthur H. Lefebvre and "Heat Atlas" published by German Engineers Association And approach supplied in Heat Atlas is implemented at CFD Model as a boundary condition of the discrete phase. According that model, spray was generating droplets between the diameter range of 8 and 157 μm and with 60μm mean diameter. The droplet diameter distribution is modelled with Rosin – Rammler distribution function and distribution is substituted by 20 diameter group, each group is substituted by 500 particles in the simulation. Each droplet is assumed to have perfect sphere shape and calculations are based on that assumption. The particle behaviors are modelled via Discrete Phase Modelling approach, where the velocity and the position calculations of the particles are calculated with the motion equations of Newton's. This approach is known for its high accuracy with low-solid-laden beds. The momentum transfer between phases is coupled with drag force and drag coefficient is regressed as a function of Reynolds number of the cell, where particles fly through. The heat and mass transfer between phases is modelled via modified Ranz – Marshall Correlation, which is more suitable than classical form for droplet evaporation, where transport rates are high. However, after the moisture content falls below a critical point leaving a solid crust on the surface of the droplet, the classical Ranz – Marshall Correlation provides more accuracy. Since the main purpose of this thesis is to prevent wall accretion and this occurs right after their introduction to the medium and cannot reach that critical point, only modified Ranz – Marshall Correlation is implemented rather than their blended form. As the droplets are subjected to hot gas medium, their mass, density, volume, and as a result, their flowing behaviours change. However, gas medium, itself, is affected by the discrete phase, to model this effect, mass, heat and momentum transferred from discrete phase is added to the related source terms of the Navier – Stokes equations (Two – way coupling). Using a RANS turbulence model requires the implementation of the turbulent dispersion model, which obliges the introduction of thousands of substitutes for particle, since it is a statistical approach. For this reason, 10000 particles are introduced and interaction time is chosen from the minimum of the crossing time and the lifetime of eddy. Due to the turbulent nature of the flow, to capture the velocity gradient, rather than using very dense mesh, a "Wall Function" is used. An "UDF" code is embedded to the simulation to count and remove all the particles reaching the inner wall of the porous filter capsule, since this is the worst scenario. Eight system parameters are manipulated and fine-tuned to prevent both wall accretion and back flowing of the particles, eventually their best combination is given under the name of "Primadonna". The manipulated parameters are: the position, length, diameter of the reactor, spraying position, spray angle, main gas flow, droplet diameter distribution and ring air blowing. When the question of whether vertically or horizontally the reactor should be positioned has to be answered, the droplets having bigger diameters determined the solution. Since bigger droplets cannot resist the gravity, they fall before reaching the exit of the reactor, therefore, the reactor should be positioned vertically. Reducing the length of the reactor, increases the radial flow, which is the main component acting against wall-accretion. However, reducing the length also decreases the residence time, leading to low evaporation rates. Therefore, reducing the length of the reactor is not necessary. Ring air blowing, is a stream of gas, which is introduced around the atomizer as a percentage of 100Nm3/h (0 – 5%) in an attempt to entrain the droplets towards the end of the exit of the reactor and reduce the wall accretion. Although, it succeeds this aim, since it causes backflow, 1% ring air blowing was chosen to be optimum. Three different positions (15, 125, 250mm) inside the reactor were chosen to capture the effect of Spraying Position. The more inside the atomizer is placed, the less wall accretion occurs. However, placing deeper the atomizer also reduces the residence time. Therefore, 15mm was determined to be sufficient. Particle diameter distribution is one of the most important parameter when wall-accretion is concerned. Since bigger droplets have bigger momentum, it is very hard to stop them before reaching the wall. On the other hand, small droplets are very susceptible to the turbulent eddies, being easily flung towards the walls. However, when evaporation is concerned, smaller droplets are favoured, since smaller droplets have much bigger surface area per mass. Spray angle is ultimately a function of the inner dynamics of the atomizer and tuned by the producer. The current spray angle is 50°. However, implementing an atomizer with 20° decreases wall accretion immensely. Filter inner diameter is currently 40mm. Although a 50% increase in that value ameliorates the wall accretion problem by 0.8%, a combination of this parameter change with others yields tremendous improvement. Since the main gas stream constitutes the radial flow, it is the most important parameter. It was found that the current flow rate (50 Nm3/h) was insufficient and 5 or 8 times of this value has to be fed to the reactor, depending the droplet diameter distribution. In the light of the information gathered by parameter manipulations, two optimum reactor property combinations are asserted under the name of "Primadonna - I" and "Primadonna - II", depending on droplet diameter distribution. "Primadonna – I" was designed for current atomizer (for droplets diameter between 8 – 157μm) and reduces wall accretion 387.5 times and increases evaporation rate 168.7 % , when compared to current set up, with 500mm reactor length, 60mm filter inner diameter, vertical reactor positioning, 15mm spraying position and 400 Nm3/h main gas stream. The wall accretion problem is solved by 99.79%. " Primadonna - II " was designed for smaller droplets (8 – 60 μm) and reduces wall accretion 1356.5 times and increases evaporation rate 291.85 % when compared to current set up, with 500 mm reactor length, 60 mm filter inner diameter, vertical reactor positioning, 15 mm spraying position and 250 Nm3/h main gas stream. The wall accretion problem is solved by 99.975 %.
Açıklama
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016
Anahtar kelimeler
Sprey Kurutma, Evaporatif Soğutma, Atomizasyon, Türbülans Modelleme, Taşınım Olayları, Çok Fazlı Akış, Ansys Fluent, Had, Spray Drying, Evaporative Cooling, Atomization, Turbulence Modelling, Transport Phenomena, Multiphase Flow, Ansys Fluent, CFD
Alıntı