Experimental Validations of CFD Simulations and Models in Chemical Applications
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2012
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
91 + app. 80
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 73
Abstract
In the design of equipment for the chemical industry, mathematic models are used for scaleup from laboratory scale to full-size systems. The models consist of mass, momentum, energy balances and closure models that describe the phenomena inside the investigated region. The phenomena that these closures describe are related to include flow conditions, interfacial areas, or thermodynamic properties. Experimental data is needed for the development and validation of these models. The first part of the thesis compares various analysis techniques to investigate fluid flow. The focus is to understand the benefits and drawbacks of each technique, how the raw data should be converted so that a comparison between experimental work modeling is possible. Experimental work consisted of single-phase and multiphase experiments. Single-phase experiments were made to validate the flow fields and mixing times in the systems. Multiphase experiments were needed to obtain information about the size distributions of the bubbles or particles, determine the parameters of mass transfer between the phases and the drag forces between the phases. The experimental work was conducted in laboratory-scale stirred vessels (ranging from 14 to 200 liters) and in a pipe flow. Various experimental techniques were used to obtain essential information about the phenomena occurring in the investigated systems. The experimental results showed that the inhomogeneities in fluid velocities and the interfacial areas between the phases inside the systems can be significant. In traditional scaleup, these inhomogeneities cannot be taken into account, and the models depend on the geometry and operating conditions of the system. This can easily lead to inefficient systems. Computational Fluid Dynamics (CFD) can provide information on local conditions in the equipment. However, we are still far away from the possibility of modeling all the phenomena in industrial-scale vessels, due to the computational capacity required. A possible trade-off between traditional modeling and direct numerical simulation is to develop closure models for CFD that are independent of the systems’ geometry and operating conditions. In the modeling section of this thesis, the focus was to compare the closure models that were implemented for CFD and validate them against experimental data. The investigation was focused on size distribution models of the dispersed phase, mass transfer models, drag models between the phases, viscosity models of the continuous phase and turbulence models. The results show that the closure models that have been developed for CFD still have a dependency on the system that they were developed for and validated in. Therefore, if these models are used, it must be ensured that the designed system is similar to the system where the model was developed.Kemian teollisuuden laitesuunnittelussa matemaattisia malleja käytetään laitteiden skaalaamiseen laboratoriomittakaavasta täyden mittakaavan prosessilaitteisiin. Nämä mallit koostuvat massa-, liikemäärä- ja energiataseista sekä täydentävistä malleista, jotka kuvaavat ilmiöitä taseiden sisällä. Näissä täydentävissä malleissa on tietoa mm. virtausolosuhteista, faasien välisistä vuorovaikutuksista sekä termodynaamisista ominaisuuksista. Jotta näitä malleja voidaan kehittää ja varmentaa, tarvitaan kokeellista dataa. Tämä data voidaan saada monella erityyppisellä analyysimenetelmällä. Väitöskirjan ensimmäinen osa koostuu erilaisten analyysitekniikoiden vertailusta, joilla ilmiöitä virtauksissa voidaan tutkia. Pääpaino oli ymmärtää kunkin tekniikan edut ja haitat, sekä ratkaista miten raakadata tulisi käsitellä, jotta se olisi vertailukelpoinen mallinnustulosten kanssa. Kokeita tehtiin yksifaasivirtauksissa, jotta saatiin tietoa virtauskentistä sekä sekoitusajoista ja monifaasivirtauksissa, jolloin saatiin tietoa aineensiirrosta sekä faasien välisistä kitkavoimista. Kokeet suoritettiin laboratoriomittakaavan sekoitussäiliöissä (14-200 litraa) sekä putkivirtauslaitteistossa. Näissä kokeissa käytettiin useampaa eri analyysitekniikkaa, ja siten saatiin laaja-alaisempi käsitys ilmiöistä. Lisäksi kokeiden avulla tehtiin tekniikoiden vertailu. Koetulokset osoittivat, että laitteen sisällä olevat epähomogeenisuudet voivat olla todella merkittäviä. Mikäli laitteet mitoitetaan perinteisesti skaalaamalla kokeellisesti vaiheittain laboratoriomittakaavasta lähtien, näitä epähomogeenisuuksia ei saada sisällettyä malleihin. Lisäksi mallit ovat käytännössä riippuvaisia laitteen geometriasta sekä käyttöolosuhteista. Tämä johtaa helposti siihen, että laite täytyy ylimitoittaa. Computational Fluid Dynamics (CFD) virtauslaskennalla voidaan saada tarkkaa tietoa paikallisista ilmiöistä, jotka tapahtuvat laitteen sisällä. Valitettavasti nykyinen laskentateho ei ole riittävä, jotta voitaisiin mallintaa teollisessa mittakaavassa kaikki laitteen sisällä tapahtuvat ilmiöt. Yksi mahdollisuus on kehittää malleja CFD:lle, jotka perustuvat vain fysikaalisiin ominaisuuksiin ja ovat siten riippumattomia säiliön geometriasta ja käyttöolosuhteista. Väitöskirjan mallinnusosiossa pääpaino oli CFD:lle kehitettyjen täydentävien mallien vertailussa sekä kokeellisessa varmennuksessa. Tutkimuksen pääpaino oli malleissa, jotka käsittelivät dispergoidun faasin kokojakaumia, aineensiirtoa, faasien välisiä kitkavoimia, jatkuvan faasin viskositeettiä sekä turbulenssia. Tulokset osoittivat, että käytännössä kehitetyt mallit ovat edelleen riippuvaisia kehitysympäristöstään ja siksi niiden käyttö tulisi rajata vain samankaltaisiin systeemeihin.Description
Supervising professor
Alopaeus, VilleAittamaa, Juhani
Keywords
experimental validation, CFD, fluid dynamics, single phase, multiphase, kokeellinen validointi, CFD, virtausmekaniikka, yksifaasi, monifaasi
Other note
Parts
- [Publication 1]: Visuri, O., Laakkonen, M., Aittamaa, J., 2007. A digital imaging technique for the analysis of local inhomogeneities from agitated vessels. Chemical Engineering & Technology 30(12), 1692-1699
- [Publication 2]: Moilanen, P., Laakkonen, M., Visuri, O., Aittamaa, J., 2007. Modeling Local Gas-Liquid Mass Transfer in Agitated Viscous Shear-Thinning Dispersions with CFD. Industrial & Engineering Chemistry Research 46(22), 7289-7299
- [Publication 3]: Moilanen, P., Laakkonen, M., Visuri, O., Alopaeus, V., Aittamaa, J., 2008. Modelling mass transfer in an aerated 0.2m3 vessel agitated by Rushton, Phasejet and Combijet impellers. Chemical Engineering Journal (Amsterdam, Netherlands) 142(1), 95-108
- [Publication 4]: Visuri, O., Uusi-Kyyny, P., Pokki, J., Pakkanen, M., Alopaeus, V., 2008. Vapor-Liquid Equilibrium for 1-Butene + Methanol, + 1-Propanol, + 2-Propanol, + 2-Butanol, and + 2-Methyl-2-propanol (TBA) at 364.5 K. Journal of Chemical & Engineering Data 53(8), 1829-1835
- [Publication 5]: Visuri O., Wierink G. A., Alopaeus V., 2012. Investigation of drag models in CFD modelling and comparison to experiments of liquid-solid fluidized systems, International Journal of Mineral Processing, 104-105, 58-70
- [Publication 6]: Visuri, O., Liiri, M., Alopaeus, V., 2011. Comparison and validation of CFD models in liquid-solid suspensions, The Canadian Journal of Chemical Engineering, 89(4), 696-706
- [Publication 7]: Visuri, O., Moilanen, P., Alopaeus, V., 2009. Comparative Studies of Local Mixing Times in Water and Viscous Shear-thinning Fluid for Three Impeller Types, 13th European conference on mixing, Poster presentation, 14-17th April. 2009, London UK1