CFD modelling of mixing in a small-scale UASB biogas reactor

Abstract

Denne avhandlingen tar for seg hvordan innkommende substrat mikses i Telemarksreaktoren (TR) ved å bruke numerisk fluiddynamikk (CFD) til å simulere forskjellige strømningsmønstre i reaktoren slik at miksingen kan forbedres. Dette gjøres for å finne generelle anbefalinger for geometri og oppsett av reaktoren som kan gi økt biogassutbytte. Biogassindustrien er i dag voksende over hele verden. Noe av årsaken kan være evnen til å produsere fornybar energi i form av en metanholdig gass samtidig som metangassutslipp til atmosfæren reduseres. Dette resulterer i at effektiv produksjon av biogass både reduserer utslipp av klimagasser og er en verdifull energikilde. Ettersom spredningen av innkommende partikler har vist seg å være viktig for effektiviteten til en biogassreaktor vil dette være fokusområdet til denne avhandlingen. Gjennom 2D transient aksesymmetrisk simulering av innpumpingen av substrat i TR vil miksingen modelleres i ANSYS Fluent. Først vil en case-studie bli gjennomført for å undersøke hvordan hastighet og geometri ved innløpet påvirket miksingen. Videre vil en resirkuleringspumpe bli modellert i systemet for å se om dette kunne forbedre innpumpingen. Til slutt vil systemet bli simulert med tofase for å observere hvordan innkommende partikler fordeles i volumet ved innpumping. Partikkelsimuleringene vil gjennomført bli for å kartlegge om det var grunn til å tro at det fantes en mer effektiv metode for å øke hastigheten på nedbrytningen av nytt substrat. Case-studien viste at strømningene i tanken ikke var fullt utviklet. Dette impliserte at effektiviteten til reaktoren sannsynligvis kunne økes ved å optimalisere miksingen. Partikkelsimuleringene viste videre at ved bruk av en resirkuleringspumpe ville partiklene distribueres over et større volum. Dermed ble det konkludert med at en enkel geometri i kombinasjon med høy hastighet ved innløpet var å foretrekke, men at en resirkuleringspumpe ville være nødvendig dersom miksingen skulle forbedres merkbart.

The aim of this thesis is to understand how the incoming substrate is mixed in Telemarksreaktoren (TR) using computational fluid dynamics (CFD) simulations for the purpose of finding recommendations for improving the mixing in TR. This objective seeks to determine whether enhancing the mixing in TR can increase the biogas yield from reactors. Biogas is a growing sector that not only generates renewable energy in the form of methane-containing gas but also decreases atmospheric methane emissions. Effective biogas reactors are thus attractive not just due to their capacity to decrease greenhouse gas emissions, but also due to the value of the biogas itself. This thesis will address the mixing of new substrate based on a theory for the proliferation of incoming particles throughout the volume to be crucial for effective gas production. The problem will be resolved by running transient 2D axisymmetric simulations of the incoming substrate with the use of ANSYS Fluent. A case study was conducted to determine how velocity and geometric characteristics at the inlet affect the flow pattern prior to conducting simulations of a recirculation pump. To provide results for discussing the anticipated exploitation of biogas potential, a two-phase flow is conducted to validate the findings and investigate the particle distribution. The simulation of the case study revealed a not fully developed flow, indicating unutilized mixing potential. Simulations of particles revealed implementation of a recirculation pump to increase the disperse of the incoming substrate. High velocity and simple geometry were thus determined to be preferable, and a recirculation pump was decided to be advantageous whenever mixing is to be enhanced.