Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i.

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.

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).

Jak hodnotí řešení náš 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.

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.

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.

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.

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.