A Comparative Study of Different CFD-codes for Fluidized Beds

Abstract

Fluidiserte senger er viktige prosesser med mange bruksområder i ulike industrier. Ett av bruksområdene er som en tørrskrubber for å behandle avgass fra aluminiumsproduksjon. Økt etterspørsel etter aluminium i verden betyr at det produseres mer gass, og dermed trengs det mer sofistikerte og effektive tørrskrubbere. Det er nødvendig å forstå hydrodynamikken i en fluidisert seng og hvordan den fungerer for å kunne designe en god og effektiv fluidisert seng reaktor på riktig måte. En måte å tilegne kunnskap om hydrodynamikken er ved å bruke numerisk fluid dynamikk (CFD), som kan gi en generell oversikt over fluidiseringsfenomenet uten behov for store og dyre eksperimentelle oppsett. Det er imidlertid nødvendig å validere CFD-modeller og programvare for å kunne stole på resultatene de gir.

Denne avhandlingen prøver derfor å validere OpenFOAM-løseren multiphaseEulerFoam for en Eulerisk-Eulerisk to fluids modell med Syamlal-O'Brien og Gidaspow-dragmodellene ved varierende inngangs gasshastigheter, ved å sammenligne resultatene den gir med den allerede validerte programvaren MFiX og eksperimentelle data. De foreliggende funnene viser at OpenFOAM er en moden prediktor i forhold til fluidiseringfenomenet, og den produserer resultater som er i rimelig overensstemmelse med både MFiX og eksperimentelle data. Videre studie av multiphaseEulerFoam løseren er imidlertid nødvendig for å bedre forstå hvordan ulike innstillinger påvirker den. Funnene viser også at Gidaspow- og Syamlal-O'Brien-dragmodellene er gode for å forutsi fluidiseringfenomenet, men under ulike betingelser, der den første er best ved lave hastigheter og den andre ved høye hastigheter.

Fluidized beds are important processes with many applications in different industries. One of its uses are as a dry scrubber for processing the off-gas from aluminium production. Increased demand for aluminium in the world means that more off-gas is produced and thus more sophisticated and effective dry scrubbers are needed. It is necessary to know how the hydrodynamics of a fluidized bed function and look if one is to be able to properly design a fluidized bed reactor. One way to attain knowledge of the hydrodynamics is by utilizing computational fluid dynamics (CFD) which can give a general overview of the processes without the need for large and expensive experimental setups. It is however necessary to validate the CFD models and software if one is to be able to trust the results it provides.

This thesis therefore attempts to validate the OpenFOAM solver multiphaseEulerFoam for an Eulerian-Eulerian two-fluid model with the Syamlal-O'Brien and Gidaspow drag models at varying superficial gas velocities by comparing the results it provides with the already validated software MFiX and with experimental data. The present findings find OpenFOAM to be a mature predictor in relation to the fluidization phenomenon and it produces results that are in reasonable agreement with both MFiX and experimental data. Further study of the multiphaseEulerFoam solver is however needed to understand further how different settings affect it. The findings also show that the Gidaspow and Syamlal-O'Brien drag models are good for predicting fluidization, but under different conditions, where the former excels at low velocities and the latter at high velocities.