Numerical Modeling of Hydrogen Fluoride Adsorption

Abstract

Produksjonsmengden av aluminium øker for hvert år. For å møte etterspørselen, øker aluminiumsverk spenningen i elektrolysecellene for å øke produksjonen, men også den økonomiske gevinsten. En bi-effekt av dette er økt temperatur i avgassene fra elektrolyse prosessen, som øker utslippene av hydrogenfluoride. For å senke temperaturen i avgassene, implementerer industrien varmevekslere. Modellen presentert i denne oppgaven forsøker å simulere effekten temperatur har på adsorpsjonene, i første del av adsorpsjonen hvor den kjemiske reaksjonen er hastighetsbestemmende. Modellen er laget i OpenFOAM for multiphaseEulerFoam som kan håndtere flere faser og stoffer. Absorpsjonshastigheten er beskrevet med en omskrevet Langmuir adsorpsjons kinetikk-lignin.

Simuleringer med denne modellen viser seg å være ustabil, ustabiliteten skyldes mest sannsynlig dårlig definere grensebetingelser når modellene håndterer flere stoffer i fasene, dette vises som en økning i volumet til den solide fasen. Modellen genererer dobbelt så mye masse adsorbert hydrogenfluorid enn det massebalansen tilsier er mulig, men modellen kan fortsatt brukes til å finne trender i adsorpsjonsreaksjonene ved temperaturendringer. Det trengs videre arbeid for å ferdigstille en modell som oppfyller massebalansen. Antagelsene knyttet til adsorpsjons kapasitet og reaksjonshastighet testes og valideres. Implementeringen av Langmuir adsorpsjons kinetikk-ligningen virker som tiltenkt.

Alle modifiserte koder, og enkelte modeller er lastet opp til GitHub: https://github.com/EskilC/MasterThesis

The demand for aluminium is increasing annually, aluminium plants increase their cell amperage to increase productivity and economic output, as well as increasing the off-gas temperature. Some plants are installing heat exchangers to reduce the off-gas temperature before it enters the dry scrubber, as an increase in temperature has shown to increase emissions. The model presented in this thesis aims to simulate the effect temperature has on the adsorption of hydrogen fluoride during the initial adsorption when the reaction rate is the rate-limiting step. The model is built in OpenFOAM using the multiphaseEulerFoam solver, considering multiple phases and species. The adsorption rate is modeled with the Langmuir kinetic equation.

The simulation is unstable, most likely due to a poorly defined boundary condition when multiple species are introduced, and an increase in the solid volume fraction is detected. The model generates twice as much mass of adsorbed particles as it should according to the mass balance but can predict trends in the adsorption process with temperature changes. The model needs further work, with the phase transfer term and the assumptions made for the adsorption capacity and reaction rate must be further studied and validated before a finished model using the same approach as the model presented in this thesis. The implemented Langmuir adsorption kinetic equation, that is implemented in the reaction rate coefficient works as intended. \newline

All modified codes and some models are uploaded to GitHub: https://github.com/EskilC/MasterThesis