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- Original title:
- Two-fluid modeling of gas-solid and gas-liquid flows: Solver development and application
- Translated title:
- Zwei-Fluid Modellierung von Gas-Feststoff und Gas-Flüssig Strömungen: Modellentwicklung und Anwendung
- Author:
- Liu, Yefei
- Year:
- 2014
- Document type:
- Dissertation
- Faculty/School:
- Fakultät für Chemie
- Advisor:
- Hinrichsen, Kai-Olaf (Prof. Dr.)
- Referee:
- Hinrichsen, Kai-Olaf (Prof. Dr.); Kaila, Ville R. I. (Prof. Dr.)
- Language:
- en
- Subject group:
- CIT Chemie-Ingenieurwesen, Technische Chemie, Biotechnologie
- Keywords:
- Fluidized bed, Bubble column, CFD, Two-fluid model, OpenFOAM
- Translated keywords:
- Wirbelschicht, Blasensäule, CFD, Zwei-Fluid Modell, OpenFOAM
- Abstract:
- The subject of multiphase reaction engineering is becoming increasingly important in various processes such as chemical, petrochemical, pharmaceutical and energy industries. The fluidized beds and bubble column reactors are widely employed in various applications. Nowadays computational fluid dynamics (CFD) provides the state-of-the-art capabilities of simulating the hydrodynamics in these reactors. The two-fluid model needs economical computational resources and has become practical for reactor design and scaling-up. To evaluate the total variation diminishing (TVD) convection schemes in OpenFOAM for gas-solid flow modeling, the two-fluid model with kinetic theory of granular flow is implemented into the open source CFD package OpenFOAM. Five TVD schemes are employed to discretize the convection terms of phase velocity and solid volume fraction. Simulated results of the two test cases give reasonable agreement with the experimental data in the literature. By introducing a monolayer kinetic energy dissipation model into two-fluid model, tube erosion in a bubbling fluidized bed is numerically studied. The hydrodynamical simulations are performed. The time-averaged bubble frequency and bubble rise velocity are calculated to characterize the bed hydrodynamics. The erosion rates of two target tubes are simulated and the influence of the bubble behaviors on erosion rates is evaluated. The bubble behaviors are well captured by the simulations. Good agreement between the calculated and measured erosion rates is also obtained. The fluidized bed methanation of syngas to produce synthetic natural gas (SNG) is promising to utilize the syngas. A fluidized bed methanation reactor is simulated by coupling methanation kinetics with the two-fluid flow model. The bed height is reasonably predicted by the Gidaspow and Syamlal models. The simulated axial species concentrations agree well with the measured results at the end of the bed. The effects of different operating parameters are evaluated using the established models. The increase in the gas inlet velocity results in more dilute solid concentration and larger bed expansion. The weak bed expansion results from the methanation reaction with gas volume reduction. The methane concentration is increased when increasing catalyst inventory in the reactor. The addition of water into the feedback with low H2/CO ratio benefits the methanation reaction. In the CFD-PBM method, the k-ε and Reynolds stress model (RSM) are used to account for the liquid turbulence. For the bubble column operated at 0.10 m/s, minor difference is found in the predicted profiles for the 10 and 20 bubble classes. By using the Rampure drag model, Tomiyama lift model and bubble-induced turbulence model, the gas holdup is well predicted by the k-ε model and RSM. For the bubble column operated at 0.12 m/s, good agreement with experimental data is obtained when the k-ε BIT model works with the Tsuchiya drag coefficient and Tomiyama lift coefficient. The RSM with BIT gives reasonable prediction when using the Tsuchiya drag coefficient and Tomiyama lift coefficient.
- Translated abstract:
- Die Mehrphasen-Reaktionstechnik ist von großem Interesse und findet Anwendung in verschiedenen Prozessen der chemischen und petrochemischen Industrie sowie in der Energietechnik. Wirberschicht-und Blasensäulenreaktoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Heutzutage ist die Computational Fluid Dynamics (CFD) das Mittel der Wahl zur Berechnung der Hydrodznamik in diesen Reaktoren. Das Zwei-Fluid-Modell ist wenig rechenintensiv und findet praktische Anwendung im Reaktordesign und Scale-Up. Um verschiedene Total Variation Diminishing (TVD) Konvektions-Schemata für die Modellierung von Gas-Partikel Strömungen mit OpenFOAM zu evaluieren wird das Zwei-Fluid-Modell mit kinetischer Gastheorie für Partikelströmungen in der Open-Source CFD Software OpenFOAM implementiert. Fünf TVD Schemata zur Diskretisierung der Konvektionsterme von der Phasengeschwindigkeit und des Feststoffvolumenanteils werden getestet. Die Simulationsergebnisse zweiter Testfälle stimmen gut mit Messdaten aus der Literatur. Durch Verwendung eines Modells für die Monolagendissipation der kinetischen Energie in das Zwei-Fluid-Modell wird die Erosion von Rohreinbauten sowie die Strömung in blasenbildenden Wirbelschichten untersucht. Die Strömung in der Wirbelschicht wird mittels der über die Zeit gemittelten Frequenz und Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen beschrieben. Das Verhalten der Blasen wird durch die Simulationen zufriedenstellend beschrieben. Die Übereinstimmung zwischen den berechneten und gemessenen Erosionsraten ist gut. Die Methanisierung von Synthesegas zur Herstellung von synthetischem Erdgas (SNG) in Wirbelschichten ist ein vielversprechender Prozess zur Verwendung von Synthesegas. Ein Wirbelschichtmethanisierungsreaktor wird simuliert mittels Kopplung der Methanisierungskinetik mit dem Zwei-Fluid-Modell. Die Höhe des Betts wird durch die Gidaspow und Syamlal Modelle zufriedenstellend vorhergesagt. Die simulierten axialen Konzentrationen stimmen gut mit den gemessenen Werten am Ende des Bettes überein. Der Einfluss verschiedener Betriebsbedingungen werden mit den etablierten Modellen untersucht. Eine Vergrößerung der Gaseinlassgeschwindigkeit führt zu einer Verringerung der Feststoffkonzentration und damit einer größeren Bett-Expansion. Die geringe Expansion der Wirbelschicht ist auf die Volumenreduktion bei der Methanisierungsreaktion zurückzuführen. Die Konzentration an Methan steigt an wenn die Menge an Katalysator im Reaktor erhöht wird. Ein Hinzufügen von Wasser zum Feed begünstigt die Methanisierung bei geringen H2/CO-Verhältnissen. Bei der CFD-PBM (Population Balance Method) Methode werden das k-ε und das Reynolds-Spannungs-Modell (RSM) zur Beschreibung der Turbulenz in der Flüssigphase verwendet. Bei einer Gaseintrittsgeschwindigkeit von 0.1 m/s am Eingang der Blasensäule gibt es nur geringe Unterschiede zwischen den berechneten Profilen bei der Verwendung von 10 und 20 Blasenklassen. Durch Verwendung des Rampure Widerstandsmodells, des Tomiyama Auftriebsmodells und des blaseninduzierten Turbulenzmodells wird der Gas-Holdup durch k-ε und RSM gut wiedergegeben. Wenn die Einlassgeschwindigkeit der Blasensäule 0.12 m/s beträgt erhält man gute Übereinstimmung mit den Messdaten unter Verwendung des k-ε BIT Modells zusammen mit dem Tsuchiya Widerstandskoeffizienten und Tomiyama Auftriebskoeffizienten. Mit RSM mit BIT erhält man vernünftige Vorhersagen, wenn man den Tsuchiya Widerstandskoeffizienten und Tomiyama Auftriebskoeffizienten verwendet.
- WWW:
- https://mediatum.ub.tum.de/?id=1226724
- Date of submission:
- 31.07.2014
- Oral examination:
- 07.10.2014
- File size:
- 17642498 bytes
- Pages:
- 164
- Urn (citeable URL):
- https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20141007-1226724-0-8
- Last change:
- 14.10.2014
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