Pragmatic CFD-modeling of alumina feeding

Abstract

Hensikten med denne oppgaven var å videreutvikle en kode for beregning av bevaringsligningene over en industriell elektrolysecelle for å forutsi termiske effekter på cellen så raskt som mulig. Målet er å få koden til å kjøre så raskt som mulig slik at den kan brukes i industrielle sammenhenger for å forutsi scenarier som resultat av ulike driftsstrategier som kan legges inn i programvaren. Et hastighetsfelt har blitt interpolert ved en lineær metode og implementert i en forhåndsskrevet kode av S.-T. Johansen (SINTEF). Den forhåndsskrevne koden ble også utvidet til å ta inn beregninger for bevaringsligningen av temperatur. Målinger av kjøretid ble utført for å fastsette kodens hastighet sammenlignet med reelle målinger. Resultatene viser at de interpolerte hastighetsvektorene representerer de viktigste trendene for hva som skjer i en celle. Flertallet av uoppløste alumina partikler ble funnet til å gå i oppløsning innen 2-3 sekunder etter tilsats til elektrolyttbadet. Det ble funnet at partikkelkonsentrasjonen nær badveggene i interpolar høyde økte i raskere tempo enn konsentrasjonen av uoppløst alumina i midten av cellen. Løsningen av energikonservasjonsligningen viser at elektrolytten taper 21°C superheat ved tilsats av 5 kg/s alumina i en matesyklus av 60 sekund. Det ble observert variasjoner mellom temperaturprofiler målt på ulike plasser i elektrolysecellen. Varmetapet fra elektrolytten til omgivelsene ble funnet å være betydelig sammenlignet med varmetap fra cellevegger og oppvarming av alumina. Koden ble målt til å løpe på 80 sekunder. Det blir diskutert at det interpolerte hastighetsfeltet ikke representerer virvlene i det faktiske hastighetsfeltet, og alternative fremgangsmåter for interpolasjon og etterprosessering av hastighetsdata foreslås. Nedgangen i partikkelkonsentrasjon i en celle direkte under en anode ble tilskrevet den økte tilstedeværelsen av virvler som spredte partiklene. Tapet av 21°C superheat tilskrives fôringsintervallet og cellens mottatte elektriske energi. For å minske programmets kjøretid ble det foreslått å implementere en annen løsningsstrategi for bevaringsligningene, og det ble anbefalt å unngå bruk av store for-løkker. Det ble konkludert med at det interpolerte hastighetsfeltet representerer vektorfeltet fra rådataene. Konsentrasjonen av uoppløste aluminapartikler ble observert til å øke hurtigere for det interpolare området i cellen enn ved anodehøyde. Varmetap fra elektrolyttbadet til omgivelsene ansees å være det største bidraget til varmetap fra cellen.

The purpose of this thesis is to extend a computer code by implementing the calculation of conservation equations over an industrial electrolysis cell for predicting thermal effects on the cell as fast as possible. The aim is to enable the code being used in industrial settings for predicting scenarios if specific operational strategies are entered into the software. A velocity field has been interpolated by a linear method and was implemented into pre-written code by S.-T. Johansen (SINTEF). The pre-written code was extended to take in computations for the conservation equation of temperature. Run time measurements were conducted to determine the code’s pace and compared to real-time. Results show that the interpolar velocity vectors represent the main trends of what happens in a cell. The majority of undissolved alumina particles were found to dissolve within 2-3 seconds in the electrolyte bath. The particle concentration close to the bath walls at interpolar height was found to increase at a faster pace than the concentration of undissolved alumina at the center of the cell. The solution of the energy conservation equation shows that feeding 5 kg/s of alumina particles with feeding intervals of 60 seconds causes a loss of 21°C super heat. Variations between temperature profiles measured at different locations in the cell were observed. The heat loss from the electrolyte bath to the surroundings was found to be significant compared to heat loss though cell walls and alumina particle heating. At its fastest the code was measured to run at 80 seconds. It is discussed that the interpolated velocity field does not represent the eddys in the actual velocity field to a satisfactory degree. Alternative methods for interpolation and post-processing of the velocity data are considered. The decrease in particle concentration in a cell beneath an anode was attributed to the increased presence of eddys dispersing the particles. The loss of 21°C superheat is attributed to the fed amount of alumina, the feeding interval, and the cell’s received electrical power. In order to decrease the code run time it was proposed to implement a different solving strategy for the conservation equations, in addition to avoiding the use of large for-loops. It was concluded that the interpolated velocity field is representative of the raw data field. The concentration of undissolved alumina particles was found to increase at a more rapid pace at interpolar heights. Heat loss from the bath to the surroundings is viewed as the largest contribution to heat loss.