Υπολογιστική μελέτη διφασικής ροής σε δοχείο προεπεξεργασίας απολιγνοποίησης βιόμαζας ξύλου

Abstract

Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετάται το πρόβλημα διφασικής ροής σε δοχείο προ-επεξεργασίας απολιγνοποίησης βιομάζας ξύλου με χρήση του υπολογιστικού κώδικα PHOENICS, ακολουθώντας τη μεθοδολογία Euler-Euler για την περιγραφή των δύο φάσεων. Τα δεδομένα λαμβάνονται με μείωση της κλίμακας σχεδιασμού (scale down) από μια υπάρχουσα πιλοτική μονάδα. Για τη μελέτη της βασικής περίπτωσης λαμβάνεται υπόψη η επίδραση των δυνάμεων της βαρύτητας και χρησιμοποιείται γραμμική σχέση για τον υπολογισμό του ρυθμού μεταφοράς μάζας μεταξύ των δυο φάσεων. Μελετώνται τρεις επιπλέον περιπτώσεις. Στην πρώτη περίπτωση που μελετήθηκε απενεργοποιήθηκε η επίδραση της βαρύτητας. Στη δεύτερη περίπτωση δεν επιτρέπεται η μεταφορά μάζας μεταξύ των δύο φάσεων, ενώ στην τελευταία μελετάται η επίδραση της τύρβης στο πεδίο ροής. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι το πεδίο ροής καθορίζεται κυρίως από την κάθετη συνιστώσα της ταχύτητας, αφού σε όλες τις περιπτώσεις η οριζόντια συνιστώσα ήταν όμοια και για τις δύο φάσεις. Το πεδίο ροής, με τη σειρά του, καθορίζει την κατανομή του κλάσματος όγκου και του θερμοκρασιακού προφίλ. Σε όλες τις περιπτώσεις υπήρξε ομοιογένεια της θερμοκρασίας προς την έξοδο του χωρίου, ενώ το στερεό, αργά ή γρήγορα, κατακάθεται και περιορίζεται στο κάτω τοίχωμα του χωρίου. Προς αυτή την κατεύθυνση συνεισφέρουν και οι χαμηλές ταχύτητες που επικρατούν στο πεδίο ροής.

Το μοντέλο υπολογιστικής ρευστοδυναμικής που αναπτύχθηκε στην παρούσα εργασία, σε συνδυασμό με ένα μοντέλο συστημικών αποφάσεων μπορεί να αποτελέσει τη βάση για το βέλτιστο σχεδιασμό δοχείων επεξεργασίας βιόμαζας.

The present thesis studies the two-phase flow problem in a pretreatment vessel of an existing pilot plant, desacifying wood biomass, scaled down. The methodology Euler-Euler was used in the frame of a Computational Fluid Dynamics (CFD) code PHOENICS. Base case considers the effect of gravitational forces, while uses the linear relationship to calculate the mass transfer between the two phases. Three additional cases were studied. In the first case gravitational forces were switched off. Second case does not allow mass transfer between two phases, while the last case studies the influence of turbulence. Results show that the flow field is mainly determined by the vertical component of velocity, since in all cases the horizontal component was the same for both phases. Flow field determines the distribution of volume fraction and the thermal profile. In all cases, temperature was eventually homogenized near the exit, while solids, sooner or later, settle down to the bottom. Low speeds in flow field help not to agitate the solids. This CFD model, coupled with a model of systemic decisions can set the basis for the optimization design of vessels processing biomass.