Mixing performance evaluation of additive manufactured milli-scale reactors

The mixing performance of three passive milli-scale reactors with different geometries was investigated at different Reynolds numbers. The effects of design and operating characteristics such as mixing channel shape and volume flow rate were investigated. The main objective of this work was to demonstrate a process design method that uses on Computational Fluid Dynamics (CFD) for modeling and Additive Manufacturing (AM) technology for manufacture. The reactors were designed and simulated using SolidWorks and Fluent 15.0 software, respectively. Manufacturing of the devices was performed with an EOS M-series AM system. Step response experiments with distilled Millipore water and sodium hydroxide solution provided time-dependent concentration profiles. Villermaux-Dushman reaction experiments were also conducted for additional verification of CFD results and for mixing efficiency evaluation of the different geometries. Time-dependent concentration data and reaction evaluation showed that the performance of the AM-manufactured reactors matched the CFD results reasonably well. The proposed design method allows the implementation of new and innovative solutions, especially in the process design phase, for industrial scale reactor technologies. In addition, rapid implementation is another advantage due to the virtual flow design and due to the fast manufacturing which uses the same geometric file formats.

Sinkkirikasteen liuotusprosessin kineettinen mallinnus

Työssä on tehty kineettinen simulointimalli sinkkirikasteen liuotusprosessista. Prosessi on pieni osa Kokkolan sinkinvalmistusprosessia, jonka muita osia ovat: pasutus, neutraaliliuotus, konversio, liuospuhdistus ja elektrolyysi. Rikasteen liuotukseen tulee konversioprosessin liuos ja liuotuksesta lähtevä neste menee takaisin neutraaliliuotukseen. Saostunut jarosiitti läjitetään. Kokkolan liuotusprosessi koostuu liettoreaktorista ja kahdesta neljän liuotusreaktorin sarjasta. Liuotukseen syötetään paluuhappoa liettoreaktoriin ja liuotuspiirien ensimmäisiin liuotusreaktoreihin. Happea syötetään kaikkiin liuotusreaktoreihin. Prosessin mallintamiseen käytettiin Aspen Plus-simulointiohjelmaa, johon pystyttiin syöttämään kineettisiä yhtälöitä. Reaktionopeusyhtälöitä käytettiin raudan hapetuksen, sulfidien liuotuksen ja jarosiitiin saostumisen mallintamiseen, eli kaikkiin liuotusreaktoreissa tapahtuviin reaktioihin. Kineettiset yhtälöt etsittiin kirjallisuudesta. Liettoreaktori puolestaan mallinnettiin syöttämällä ohjelmaan reaktioyhtälöt ja antamalla niille etenemisasteet. Jarosiitin liukenemisesta työssä on tehty laboratoriokokeita, koska aiheesta ei kirjallisuudesta löytynyt kineettistä tietoa. Liuotuskokeissa käytetyn kiintoaineen kuitenkin todettiin sisältävän liikaa götiittiä, että tuloksista olisi voitu laskea kinetiikkaa jarosiitin liukenemiselle. Simulointimallilla laskettiin yksi tapaus vertailukohdaksi, johon malliin tehtyjä muutoksia verrattiin. Mallilla tutkittiin konversiosta tulevan jarosiitin määrän vaikutusta, reaktorikoon merkitystä ja rikasteen liuotuksen sekä jarosiitin saostuksen reaktionopeuksien muutoksen vaikutuksia. Käytetyillä kineettisillä yhtälöillä reaktioiden todettiin tarvitsevan vain ¾ käytetystä reaktiotilavuudesta, rikasteen liuotusnopeuden kohtalaisen pienellä hidastamisen todettiin vähentävän sinkin saantoa ja jarosiitin saostuksen reaktionopeuden kasvulla todettiin myös olevan negatiivinen vaikutus sinkin saantoon. Simulointimallissa käytettyjen reaktionopeusyhtälöiden varmentaminen kokeilla todettiin tarpeelliseksi, sillä jo kohtalaisen pienillä muutoksilla havaittiin olevan merkitystä prosessin toimivuuteen. Lisäksi todettiin jarosiitin liukenemisen huomioimisen olevan tarpeen.

Hydrometallurgical process modeling using advanced mathematical tools

Hydrometallurgical process modeling is the main objective of this Master’s thesis work. Three different leaching processes namely, high pressure pyrite oxidation, direct oxidation zinc concentrate (sphalerite) leaching and gold chloride leaching using rotating disc electrode (RDE) are modeled and simulated using gPROMS process simulation program in order to evaluate its model building capabilities. The leaching mechanism in each case is described in terms of a shrinking core model. The mathematical modeling carried out included process model development based on available literature, estimation of reaction kinetic parameters and assessment of the model reliability by checking the goodness fit and checking the cross correlation between the estimated parameters through the use of correlation matrices. The estimated parameter values in each case were compared with those obtained using the Modest simulation program. Further, based on the estimated reaction kinetic parameters, reactor simulation and modeling for direct oxidation zinc concentrate (sphalerite) leaching is carried out in Aspen Plus V8.6. The zinc leaching autoclave is based on Cominco reactor configuration and is modeled as a series of continuous stirred reactors (CSTRs). The sphalerite conversion is calculated and a sensitivity analysis is carried out so to determine the optimum reactor operation temperature and optimum oxygen mass flow rate. In this way, the implementation of reaction kinetic models into the process flowsheet simulation environment has been demonstrated.