CFD simulace a měření rychlostí kapaliny a zádrže plynu v reaktoru typu "airlift"

Cílem práce bylo vyhodnotit schopnost vícefázového modelu proudění mixture v programu Fluent 6.3 správně předpovědět průměrné zádrže plynu a rychlosti kapaliny v jednotlivých částech probublávaného reaktoru typu airlift.

Ústav chemických procesů_logo_upr.png

Zadání projektu

Cílem práce bylo vyhodnotit schopnost vícefázového modelu proudění mixture v programu Fluent 6.3 správně předpovědět průměrné zádrže plynu a rychlosti kapaliny v jednotlivých částech probublávaného reaktoru typu airlift. Části reaktoru jsou riser (vnitřní trubka), což je probublávaná část, kde kapalina proudí směrem nahoru a downcomer (mezera mezi vnitřní a vnější trubkou), kde kapalina proudí směrem dolů a do které mohou ale nemusí být strhávány bubliny z části riser. Výsledky simulací byly srovnány s vlastními experimenty.

Řešení

Experimenty byly provedeny s vodou a vzduchem jako modelovými tekutinami. Zádrže byly měřeny pomocí U-manometru, rychlosti pomocí stopovací látky a pH-sond. Experimenty i simulace byly provedeny pro tři různé výšky a průměry vnitřní trubky reaktoru (riser) a pro různé průtoky probublávacího vzduchu tak, aby byly prozkoumány všechny režimy proudění v reaktoru (viz obrázek 1).

Výsledky

Naše výsledky ukazují, že simulace dokáží relativně dobře předpovědět rychlosti kapaliny a zádrže plynu v režimu proudění I, shoda mezi simulací a experimentem je horší ale většinou stále přijatelná pro režim proudění II a že simulace selhávají v režimu proudění III.

Nutno podotknout, že na vině není použitý program, ale neexistence dostatečně přesných (sub)modelů pro výpočet relativní rychlosti bublin vzhledem ke kapalině.

Publikováno v: Šimčík, M., Mota, A., Ruzicka, M., Vicente, A., Teixeira, J.: CFD simulation and experimental measurement of gas holdup and liquid interstitial velocity in internal loop airlift reactor. Chem. Eng. Sci. 66(14), 3268-3279 (2011).

Použitý software

Simulace byly provedeny pomocí CFD programu Fluent 6.3. Proudění bylo modelováno pomocí eulerovského vícefázového modelu proudění mixture. Standardní k-e model byl použit pro modelování turbulence. Tomiyamův model (zadaný pomocí UDF) pro jednu izolovanou bublinu byl použit pro výpočet relativní rychlosti plynné vůči kapalné fázi.

Obr1_a_ÚCHM_AVČR.png Obr1_b_ÚCHM_AVČR.png

Schéma režimů proudění v reaktoru typu airlift (převzato z Klein et al. 2001) a naše experimentální zařízení. Kapalina proudí nahoru v části riser a směrem dolů v části downcomer. Bubliny jsou strhávány proudem kapaliny do downcomeru v závislosti na rychlosti proudící kapaliny.

 

 

Obr2_ÚCHM_AVČR.png

Pole zádrže plynu v reaktoru (objemový zlomek plynné fáze) pro různé průtoky probublávacího vzduchu. Červená čára ukazuje nejzazší mez pronikání bublin do downcomeru. Pro nejvyšší průtok vzduchu (26,8 L/min) již reálné zařízení fungovalo v režimu proudění III.

Obr3_ÚCHM_AVČR.png

 

Srovnání rychlostí kapaliny (VL) mezi simulací a experimentem v části riser (a) a downcomer (b) v závislosti na mimovrstvové rychlosti plynu UG (vztažené na průřez riseru). Srovnání zádrže plynu v části riser (c) a downcomer (d). Všiměte si rozdílu mezi simulací a experimentem pro nejvyšší průtok vzduchu, kde už reálné zařízení pracovalo v režimu proudění III.

Využívaný software

ANSYS Fluent

ANSYS Fluent

Program ANSYS Fluent je nástroj pro 2D/3D počítačovou simulaci proudění (CFD). Jeho charakteristickým rysem je jeho…

Jak hodnotí řešení náš klient

klient

Použitý software Fluent (tehdy ve verzi 6.3) ukázal, že může být užitečným nástrojem pro odhad základních parametrů proudění v probublávaných reaktorech typu airlift. To však neplatí pro všechny režimy proudění. Od doby publikování této práce došlo k pokroku ve schopnostech programu Fluent modelovat vícefázové proudění. Hlavním omezením stále zůstává nedostatečná přesnost submodelů pro rychlost stoupání bublin a koalescenci. To ale není chybou programu Fluent, protože přesné a univerzálně platné submodely prostě dosud neexistují.

Další případové studie

Simulace experimentů modelujících roztavenou aktivní zónu ve dně tlakové nádoby jaderného reaktoru

Zadržení roztavené aktivní zóny ve dně nádoby tlakovodního jaderného reaktoru (IVR, In-Vessel Retention) je jedna z…

Proudění vzduchu v brzdovém posilovači

Na základě známých vlastností sériových posilovačů byly vybrány dva reprezentativní vzorky s různým vnitřním…

Modelování stolku Mahle 94400 se středovým topením

Připravit model výhřevu rotujících vřeten na rotačním stolku Mahle 94400 se středovým topením, analyzovat teploty v…

Simulace míšení chladiva během události vedoucí k tlakově teplotnímu šoku pomocí CFD programu Ansys Fluent

Vyhodnocování tlakově teplotních šoků je důležitá úloha pro jadernou bezpečnost.