Analysis of a gas flow in structured packed bed columns using computational fluid dynamics

Abstract

In many countries, fossil fuels are a vast energy resource in spite of sector of renewable energy resources. Large amounts of carbon dioxide are produced by the power plants using fossil fuels, like coal, peat and natural gas. The CO2 emissions induce global warming which leads to the fact that releasing CO2 into the atmosphere is no longer environmentally sustainable.

A common technology for carbon dioxide recovery is the post-combustion carbon dioxide capture via absorption. The post-combustion carbon-dioxide capture is conducted typically in structured packed bed columns which have large dimensions, since the flue gas streams to the absorber are vast. Controlling the flow is difficult due to the large dimensions and maldistribution is a real problem. Maldistribution of the flue gas and the liquid solvent in the absorber bed decrease mass transfer efficiency in the column.

In this work, flow field and gas phase distribution in a structured packed bed column is studied by means of computational fluid dynamics (CFD). A porous medium model for a structured packed bed is created with aid of experimental results from literature. The porous medium model is validated against pressure loss measurements and maldistribution measurements. According to the comparison between simulations carried out and experimental results from literature, the anisotropic porous model seems to capture the gas phase maldistribution quite well. Finally, the model is applied for an industrial scale column, and it is noticed that it is not guaranteed that a severe maldistribution will smooth out even in a relatively high bed.

Flow in a packed bed is complicated, thus simplifications were made in this study. In order to increase the model reliability, some propositions for improving the model are given in the end of this work.

Monissa maissa fossiiliset polttoaineet ovat edelleen merkittävä energianlähde huolimatta kasvavasta uusiutuvan energian sektorista. Fossiilisia polttoaineita, kuten hiiltä, turvetta ja maakaasua, käyttävät voimalaitokset tuottavat suuria määriä hiilidioksidia. Hiilidioksidipäästöt edistävät ilmaston lämpenemistä ja sen vuoksi hiilidioksidin päästäminen ilmakehään ei ole ympäristön kannalta kestävä ratkaisu.

Hiilidioksidin talteenotto savukaasuista absorption avulla on yleinen teknologia hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Absorptiokolonnit hiilidioksidin talteenotossa ovat tyypillisesti suuria dimensioiltaan suurien savukaasumäärien vuoksi. Virtauksen hallinta suuressa kolonnissa voi olla vaikeaa. Kaasu- ja nestefaasin epätasainen jakautuminen absorptiokolonnissa on ongelma, sillä se heikentää kolonnin aineensiirtotehokkuutta.

Tässä työssä kaasun jakautumista strukturoidussa täytekappalepedissä tutkitaan laskennallisen virtausmekaniikan keinoin. Strukturoidulle täytekappalepedille muodostettiin malli perustuen virtaukseen huokoisen aineen läpi. Malli muodostettiin ja validoitiin kirjallisuudesta löytyneiden kokeellisten tulosten avulla. Simulointi- ja kokeellisten tulosten vertailun perusteella voidaan sanoa, että mallin avulla kaasufaasin jakautuminen voidaan ennustaa. Anisotrooppisen huokoisen aineen mallia täytekappalepedille sovellettiin teollisuusmittakaavaa vastaavaan kolonniin, ja huomattiin, etteivät erot kaasun nopeusjakaumassa välttämättä tasaannu korkeassakaan strukturoidussa täytekappalepedissä.

Virtaus täytekappalepedissä on monimutkainen ja työn lopussa on ehdotettu aiheita, joita tutkimalla mallin luotettavuutta voitaisiin parantaa.