Sekoitussäiliöreaktorin viipymäaikajakauman mallinnus ja CFD-laskenta
Takala, Joonas (2023)
Takala, Joonas
2023
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-04-23
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202303283265
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202303283265
Tiivistelmä
Sekoitus on tärkeässä osassa monien teollisten prosessien toimivuuden ja tuottavuuden kannalta. Siksi on tärkeää, että sekoitussäiliöt toimivat niin kuin niiden on tarkoitus toimia. Työssä perehdytään erilaisiin reaktoreihin ja tekijöihin, jotka vaikuttavat reaktoreiden toimintaan ja suorituskykyyn. Erityisesti työssä keskitytään sekoitussäiliöreaktoreihin, eli CSTR-tyyppisiin reaktoreihin. Tutkimuksen kohteena on selvittää, miten reaktoreita mallinnetaan analyyttisesti, empiirisesti sekä numeerisen virtauslaskennan, eli CFD-laskennan avulla. Mallinnuksen osalta arvioidaan myös sen toimivuutta, heikkouksia ja vahvuuksia.
Kemialliset reaktorit voidaan jakaa kolmeen ideaalireaktorimalliin, joita ovat panosreaktori, sekoitussäiliöreaktori ja putkireaktori. Sekoitussäiliöreaktori on panosreaktorin tapaan säiliö, jossa on yleensä jonkinlainen sekoitin. Sekoitussäiliöreaktoriin virtaa jatkuvasti reaktantteja sisään ja tuotteita ulos. CSTR-reaktoreille oletetaan täydellinen sekoitus ja reaktorille voidaan laskea keskimääräinen viipymäaika tilavuuden ja tilavuusvirran suhteesta.
Viipymäaikajakauma kertoo sekoitussäiliöreaktorin suorituskyvystä ja epäideaalisuudesta. Se voidaan määrittää esimerkiksi positiivisella askelvastekokeella, jossa merkkiainetta syötetään reaktoriin pulssimaisesti ja sen poistuminen ajan funktiona antaa jakauman missä ajassa tietty osuus aineesta on poistunut reaktorista. Sekoitussäiliöreaktorille ideaalijakauma on eksponenttifunktion mukainen poistuma reaktorista, kun sisään tulevan pulssin oletetaan sekoittuvan reaktoriin heti täydellisesti.
Sekoitukseen ja sitä kautta viipymäaikajakaumaan voidaan vaikuttaa reaktorin suunnittelulla. Tyypillisesti uusien laitosten reaktorien suunnittelussa nojataan kokemukseen ja laitevalmistajien omiin suunnitteluperiaatteisiin. Sekoitussäiliöreaktoreiden toimintaa pystyy kuitenkin suunnittelemaan karkealla tasolla ilman laitevalmistajien suunnitteluperiaatteita. Esimerkiksi siipipyörän valinta vaikuttaa sen tuottamaan virtauskuvioon reaktorissa. Virtauskuvio voi olla aksiaalinen, radiaalinen tai jotain siltä väliltä. Pyörivää virtausta voidaan ehkäistä reaktorin seinälle asennettavilla pystysuorilla levyillä. Korkean viskositeetin fluideille on olemassa omanlaisia juoksupyöriä, jotka toimivat pienillä Reynoldsin luvuilla. Jos tietokoneiden laskentateho ei olisi rajoitteena, kaikki turbulentit sekoitusilmiöt voisi simuloida DNS-laskennan avulla.
Tässä työssä sekoitussäiliöreaktorin toimintaa mallinnettiin omalla CFD-simuloinnilla. Laskentatehon rajoitteiden vuoksi laskennat suoritettiin stationääreinä RANS-laskentoina. Virtausta hallitsevien yhtälöiden avulla selvitetään viipymäaikajakauma pienelle CSTR-reaktorille, kun virtaavana fluidina on vesi. Turbulenssimallina käytetään SST k-ω -mallia, joka yhdistää k-ε ja k-ω -mallien parhaat puolet. Sekoitusta varten malliin valittiin siipipyöräksi kaltevasiipinen turbiini (PBT) 45⁰ kulmalla, joka tuottaa sekä aksiaalista, että radiaalista virtausta. Turbiinin pyörimistä simuloitiin MRF-mallin avulla, mikä vaatii erillisen alueen luomista siipipyörän ympärille.
Sekoittumista simuloitiin viidellä pyörimisnopeudella: 0, 250, 500, 750 ja 1000 rpm. Viipymäaikajakauma selvitettiin injektoimalla sisääntulosta massattomia hiukkasia, joiden poistumisaikojen avulla reaktorille muodostettiin viipymäaikajakaumat kullekin laskentatapaukselle. 0 rpm tapauksessa reaktoriin muodostuu kuolleita alueita, ja noin 4-5 % hiukkasista jää reaktoriin, kun muissa tapauksissa hiukkaset ovat poistuneet lähes kokonaan 400 sekunnin kohdalla. 1000, 750 ja 500 rpm nopeuksilla hiukkaset poistuivat reaktorista nopeammin kuin ideaalijakaumassa, mikä johtunee reaktoriin muodostuneesta radiaalisesta virtauksesta, jota ei ollut mahdollista ehkäistä levyillä laskentakapasiteetin rajallisuuden vuoksi. 500 rpm tapauksessa viipymäaikajakauma oli lähimpänä ideaalijakaumaa.
Kemialliset reaktorit voidaan jakaa kolmeen ideaalireaktorimalliin, joita ovat panosreaktori, sekoitussäiliöreaktori ja putkireaktori. Sekoitussäiliöreaktori on panosreaktorin tapaan säiliö, jossa on yleensä jonkinlainen sekoitin. Sekoitussäiliöreaktoriin virtaa jatkuvasti reaktantteja sisään ja tuotteita ulos. CSTR-reaktoreille oletetaan täydellinen sekoitus ja reaktorille voidaan laskea keskimääräinen viipymäaika tilavuuden ja tilavuusvirran suhteesta.
Viipymäaikajakauma kertoo sekoitussäiliöreaktorin suorituskyvystä ja epäideaalisuudesta. Se voidaan määrittää esimerkiksi positiivisella askelvastekokeella, jossa merkkiainetta syötetään reaktoriin pulssimaisesti ja sen poistuminen ajan funktiona antaa jakauman missä ajassa tietty osuus aineesta on poistunut reaktorista. Sekoitussäiliöreaktorille ideaalijakauma on eksponenttifunktion mukainen poistuma reaktorista, kun sisään tulevan pulssin oletetaan sekoittuvan reaktoriin heti täydellisesti.
Sekoitukseen ja sitä kautta viipymäaikajakaumaan voidaan vaikuttaa reaktorin suunnittelulla. Tyypillisesti uusien laitosten reaktorien suunnittelussa nojataan kokemukseen ja laitevalmistajien omiin suunnitteluperiaatteisiin. Sekoitussäiliöreaktoreiden toimintaa pystyy kuitenkin suunnittelemaan karkealla tasolla ilman laitevalmistajien suunnitteluperiaatteita. Esimerkiksi siipipyörän valinta vaikuttaa sen tuottamaan virtauskuvioon reaktorissa. Virtauskuvio voi olla aksiaalinen, radiaalinen tai jotain siltä väliltä. Pyörivää virtausta voidaan ehkäistä reaktorin seinälle asennettavilla pystysuorilla levyillä. Korkean viskositeetin fluideille on olemassa omanlaisia juoksupyöriä, jotka toimivat pienillä Reynoldsin luvuilla. Jos tietokoneiden laskentateho ei olisi rajoitteena, kaikki turbulentit sekoitusilmiöt voisi simuloida DNS-laskennan avulla.
Tässä työssä sekoitussäiliöreaktorin toimintaa mallinnettiin omalla CFD-simuloinnilla. Laskentatehon rajoitteiden vuoksi laskennat suoritettiin stationääreinä RANS-laskentoina. Virtausta hallitsevien yhtälöiden avulla selvitetään viipymäaikajakauma pienelle CSTR-reaktorille, kun virtaavana fluidina on vesi. Turbulenssimallina käytetään SST k-ω -mallia, joka yhdistää k-ε ja k-ω -mallien parhaat puolet. Sekoitusta varten malliin valittiin siipipyöräksi kaltevasiipinen turbiini (PBT) 45⁰ kulmalla, joka tuottaa sekä aksiaalista, että radiaalista virtausta. Turbiinin pyörimistä simuloitiin MRF-mallin avulla, mikä vaatii erillisen alueen luomista siipipyörän ympärille.
Sekoittumista simuloitiin viidellä pyörimisnopeudella: 0, 250, 500, 750 ja 1000 rpm. Viipymäaikajakauma selvitettiin injektoimalla sisääntulosta massattomia hiukkasia, joiden poistumisaikojen avulla reaktorille muodostettiin viipymäaikajakaumat kullekin laskentatapaukselle. 0 rpm tapauksessa reaktoriin muodostuu kuolleita alueita, ja noin 4-5 % hiukkasista jää reaktoriin, kun muissa tapauksissa hiukkaset ovat poistuneet lähes kokonaan 400 sekunnin kohdalla. 1000, 750 ja 500 rpm nopeuksilla hiukkaset poistuivat reaktorista nopeammin kuin ideaalijakaumassa, mikä johtunee reaktoriin muodostuneesta radiaalisesta virtauksesta, jota ei ollut mahdollista ehkäistä levyillä laskentakapasiteetin rajallisuuden vuoksi. 500 rpm tapauksessa viipymäaikajakauma oli lähimpänä ideaalijakaumaa.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8709]