Hydrodynamics and Heat Transfer in an Airlift Reactor

Työn teoriaosassa esitetään kirjallisuudessa esiintyviä teoreettisia ja kokeellisia yhtälöitä nesteen nopeuden, kaasun tilavuusosuuden, painehäviön ja lämmönsiirron laskemiseksi. Lisäksi käsitellään airlift-reaktoreiden toimintaa, rakennetta ja teollisia sovelluksia, sekä sekoitusta ja geometrian vaikutusta airlift-reaktoreiden hydrodynaamisiin ominaisuuksiin. Kokeellisessa osassa kuvataan käytetty koelaitteisto ja mittausmenetelmät sekä esitetään saadut koetulokset. Koelaitteisto on viidellä nousuputkella varustettu ulkoisen kierron airlift-reaktori. Kokeellisessa osassa pyritään ratkaisemaan tällaisessa reaktorissa mahdollisesti esiintyviä ongelmia, kuten "slug flown" muodostuminen nousuputkissa sekä fluidien epätasainen jakautuminen nousuputkiin. Lisäksi tutkitaan erilaisten muuttujien, kuten kaasun tilavuusvirran, nesteen viskositeetin, suutinkoon ja nesteen jakoputken rakenteen, vaikutusta kaasun tilavuusosuuteen ja nesteen nopeuteen nousuputkissa. Nesteen nopeudet mitataan merkkiainemenetelmällä ja kaasun tilavuusosuudet manometrimenetelmällä. Lämmönsiirtoa tutkitaan mittaamalla lämpötilaeroja nousuputkissa NiCr-Ni –termoelementeillä. Mittaustulosten perusteella muokataan korrelaatiot kaasun tilavuusosuudelle ja nesteen tyhjäputkinopeudelle. Korrelaatioista lasketut tulokset sopivat kohtuullisen hyvin yhteen mitattujen tulosten kanssa. "Slug flown" ei todettu muodostuvan ongelmaksi 2.5 mPa s pienemmillä viskositeetin arvoilla 2 metriä pitkissä ja 19 mm halkaisijaltaan olevissa putkissa. Lisäksi todettiin, että kaasu- ja nestefaasien jakautumisongelmat voidaan ratkaista rakenteellisesti.

Bernoulli correction to viscous losses: Radial flow between two parallel discs

For a massless fluid (density = 0), the steady flow along a duct is governed exclusively by viscous losses. In this paper, we show that the velocity profile obtained in this limit can be used to calculate the pressure drop up to the first order in density. This method has been applied to the particular case of a duct, defined by two plane-parallel discs. For this case, the first-order approximation results in a simple analytical solution which has been favorably checked against numerical simulations. Finally, an experiment has been carried out with water flowing between the discs. The experimental results show good agreement with the approximate solution

Process intensification: From optimised flow patterns to microprocess technology

This thesis is focused on process intensification. Several significant problems and applications of this theme are covered. Process intensification is nowadays one of the most popular trends in chemical engineering and attempts have been made to develop a general, systematic methodology for intensification. This seems, however, to be very difficult, because intensified processes are often based on creativity and novel ideas. Monolith reactors and microreactors are successful examples of process intensification. They are usually multichannel devices in which a proper feed technique is important for creating even fluid distribution into the channels. Two different feed techniques were tested for monoliths. In the first technique a shower method was implemented by means of perforated plates. The second technique was a dispersion method using static mixers. Both techniques offered stable operation and uniform fluid distribution. The dispersion method enabled a wider operational range in terms of liquid superficial velocity. Using dispersion method, a volumetric gas-liquid mass transfer coefficient of 2 s-1 was reached. Flow patterns play a significant role in terms of the mixing performance of micromixers. Although the geometry of a T-mixer is simple, channel configurations and dimensions had a clear effect on mixing efficiency. The flow in the microchannel was laminar, but the formation of vortices promoted mixing in micro T-mixers. The generation of vortices was dependent on the channel dimensions, configurations and flow rate. Microreactors offer a high ratio of surface area to volume. Surface forces and interactions between fluids and surfaces are, therefore, often dominant factors. In certain cases, the interactions can be effectively utilised. Different wetting properties of solid materials (PTFE and stainless steel) were applied in the separation of immiscible liquid phases. A micro-scale plate coalescer with hydrophilic and hydrophobic surfaces was used for the continuous separation of organic and aqueous phases. Complete phase separation occurred in less than 20 seconds, whereas the separation time by settling exceeded 30 min. Fluid flows can be also intensified in suitable conditions. By adding certain additives into turbulent fluid flow, it was possible to reduce friction (drag) by 40 %. Drag reduction decreases frictional pressure drop in pipelines which leads to remarkable energy savings and decreases the size or number of pumping facilities required, e.g., in oil transport pipes. Process intensification enables operation often under more optimal conditions. The consequent cost savings from reduced use of raw materials and reduced waste lead to greater economic benefits in processing.

CFD simulation of complex phenomena containing suspensions and flow throughporous media

There is an increasing reliance on computers to solve complex engineering problems. This is because computers, in addition to supporting the development and implementation of adequate and clear models, can especially minimize the financial support required. The ability of computers to perform complex calculations at high speed has enabled the creation of highly complex systems to model real-world phenomena. The complexity of the fluid dynamics problem makes it difficult or impossible to solve equations of an object in a flow exactly. Approximate solutions can be obtained by construction and measurement of prototypes placed in a flow, or by use of a numerical simulation. Since usage of prototypes can be prohibitively time-consuming and expensive, many have turned to simulations to provide insight during the engineering process. In this case the simulation setup and parameters can be altered much more easily than one could with a real-world experiment. The objective of this research work is to develop numerical models for different suspensions (fiber suspensions, blood flow through microvessels and branching geometries, and magnetic fluids), and also fluid flow through porous media. The models will have merit as a scientific tool and will also have practical application in industries. Most of the numerical simulations were done by the commercial software, Fluent, and user defined functions were added to apply a multiscale method and magnetic field. The results from simulation of fiber suspension can elucidate the physics behind the break up of a fiber floc, opening the possibility for developing a meaningful numerical model of the fiber flow. The simulation of blood movement from an arteriole through a venule via a capillary showed that the model based on VOF can successfully predict the deformation and flow of RBCs in an arteriole. Furthermore, the result corresponds to the experimental observation illustrates that the RBC is deformed during the movement. The concluding remarks presented, provide a correct methodology and a mathematical and numerical framework for the simulation of blood flows in branching. Analysis of ferrofluids simulations indicate that the magnetic Soret effect can be even higher than the conventional one and its strength depends on the strength of magnetic field, confirmed experimentally by Völker and Odenbach. It was also shown that when a magnetic field is perpendicular to the temperature gradient, there will be additional increase in the heat transfer compared to the cases where the magnetic field is parallel to the temperature gradient. In addition, the statistical evaluation (Taguchi technique) on magnetic fluids showed that the temperature and initial concentration of the magnetic phase exert the maximum and minimum contribution to the thermodiffusion, respectively. In the simulation of flow through porous media, dimensionless pressure drop was studied at different Reynolds numbers, based on pore permeability and interstitial fluid velocity. The obtained results agreed well with the correlation of Macdonald et al. (1979) for the range of actual flow Reynolds studied. Furthermore, calculated results for the dispersion coefficients in the cylinder geometry were found to be in agreement with those of Seymour and Callaghan.

Heat Transfer in Plate Heat Exchangers

This study illustrates the different types of plate heat exchangers that are commonly used in various domestic and industrial applications. The main purpose of this paper was to devise a methodology that is capable of calculating optimum number of plates in the design of a plate heat exchanger. To obtain the appropriate number of plates, typically several iterations must be made before a final acceptable design is completed, since plate amount depends on many factors such as, flow velocities, physical properties of the streams, flow channel geometry, allowable pressure drop, plate dimensions, and the gap between the plates. The methodology presented here can be used as a general guide for designing a plate heat exchanger. To investigate the effects of relevant parameters on the thermal-hydraulic design of a plate heat exchanger, several experiments were carried out for single-phase and counter flow arrangement with two brazed plate heat exchangers by varying the flow rates and the inlet temperatures of the fluid streams. The actual heat transfer coefficients obtained based on the experiment were nearly close to the calculated values and to improve the design, a correction factor was introduced. Besides, the effect of flow channel velocity on the pressure drop inside the unit is presented.

Jatkuvatoimisen natriumhypokloriittireaktorin mallinnus

Natriumhypokloriittia voidaan valmistaa kloorista ja lipeästä jatkuvatoimisessa absorberissa. Tässä työssä tutkittiin kokeellisesti, miten kaasun ja nesteen virtausnopeudet vaikuttavat täytekappalekolonnin tulvimiseen ja painehäviöön, kuinka nopeasti kloori absorboituu lipeään ja kuinka suuri hypokloriittiliuoksen kierrätys tarvitaan, ettei hypokloriitti ala hajota. Lisäksi luotiin matemaattinen malli, jolla voidaan mitoittaa jatkuvatoiminen vastavirtaperiaatteella toimiva natriumhypokloriittireaktori. Kloori–lipeäsysteemin havaittiin tulvivan suuremmilla virtausnopeuksilla kuin ilma–vesisysteemin. Tosin osa kloorista absorboituu jo ennen täytekappalekerrosta, minkä vuoksi kaasun todellinen virtausnopeus täytekappalekerroksen alaosassa on pienempi kuin mitattu arvo. Kolonnin painehäviö nousee erittäin jyrkästi tulvimispisteen läheisyydessä. Koska kloori absorboituu lähes täydellisesti ja vain kolonnin alaosa tulvii, voidaan kolonnia painehäviön kannalta operoida lähellä tulvimispistettä. Sekä mallinnuksen että koetulosten perusteella yli 99,99 % kloorista absorboituu koeolosuhteissa kahden metrin täytekappalekerroksessa. Nopea absorptio johtuu erittäin nopeasta, irreversiibelistä kloorin reaktiosta ja prosessille tyypillisestä natriumhydroksidikonversion rajoittamisesta alle 94 %:iin. Jotta varmistetaan, ettei hypokloriitti ala hajota, valmista hypokloriittiliuosta täytyy kierrättää kolonniin vähintään noin 4-kertainen määrä tuoreen lipeän syöttömäärän nähden.

Letkuventtiilin mitoitus säätökäyttöön

Tässä diplomityössä käydään läpi IEC-60534 -standardin mukainen säätöventtiilin mitoitus kokoonpuristumattomille ja –puristuville virtauksille laskennassa tarvittavine yhtälöineen. Teoreettisessa osassa esitellään RF-letkuventtiilien rakennetta ja ominaisuuksia. Lisäksi käydään läpi putkivirtauksen perusperiaatteita. Koska letkuventtiilissä virtaavana fluidina on usein jokin liete, on työssä esitelty menetelmä lietevirtauksen aiheuttaman paine-eron laskentaan. Työssä on käsitelty myös kavitaation syntyä, laskennalliset mahdollisuudet kavitaation ennustamiseen sekä keinoja kavitaation estämiseksi. Kokeellisessa osassa suoritettiin mittauksia kolmella erikokoisella RF-letkuventtiilillä, joissa kussakin käytettiin kolmea erityyppistä letkua. Mittausten perusteella pystyttiin laskemaan kapasiteettikertoimet sekä määrittämään säätökäyrät mitatuille venttiileille ja letkutyypeille. Näistä tuloksista säätökäyrille sovitettiin yhtälöt, joiden perusteella saatiin laskettua kapasiteettikertoimien arvot myös muille venttiilikoille.

Possibilidades e limitações no uso da temperatura em cromatografia líquida de fase reversa

High-temperature liquid chromatography (HTLC) is a technique that presents a series of advantages in liquid phase separations, such as: reduced analysis time, reduced pressure drop, reduced asymmetry factors, modified retentions, controlled selectivities, better efficiencies and improved detectivities, as well as permitting green chromatography. The practical limitations that relate to instrumentation and to stationary phase instability are being resolved and this technique is now ready to be applied for routine determinations.

Simulating Fluid Flow in a Compressed Valve

The objective of the work is to study fluid flow behavior through a pinch valve and to estimate the flow coefficient (KV ) at different opening positions of the valve. The flow inside a compressed valve is more complex than in a straight pipe, and it is one of main topics of interest for engineers in process industry. In the present work, we have numerically simulated compressed valve flow at different opening positions. In order to simulate the flow through pinch valve, several models of the elastomeric valve tube (pinch valve tube) at different opening positions were constructed in 2D-axisymmetric and 3D geometries. The numerical simulations were performed with the CFD packages; ANSYS FLUENT and ANSYS CFX by using parallel computing. The distributions of static pressure, velocity and turbulent kinetic energy have been studied at different opening positions of the valve in both 2D-axisymmetric and 3D experiments. The flow coefficient (KV ) values have been measured at different valve openings and are compared between 2D-axisymmetric and 3D simulation results.

Kuulakekoreaktorin sydämen jäähdytevirtauksen CFD-mallinnus

Kandidaatintyössä luotiin CFD-malli mallintamaan jäähdytevirtausta kuulakekoreaktorin sydämessä käyttämällä Ansys Fluent -ohjelmaa. Mallin avulla tarkasteltiin virtauksen käyttäymistä ja painehäviötä ja saatuja tuloksia verrattiin aiempiin tutkimuksiin. Kandidaatin työssä on myös kerrottu mallintamisen etenemisestä ja laskentateoriaa.

Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.

Suljetun jäähdytysvesiverkon mallinnus

Työssä selvitettiin Neste Oil Porvoon jalostamon tuotantolinja 2 jäähdytysvesiverkon tilaa. Jäähdytysvesiverkon hydraulinen malli päivitettiin ja verifioitiin painemittauksin. Mallia tarkennettiin säätöventtiilien mallinnuksen sekä virhelähteiden tarkastelun perusteella havaituin muutoksin. Mallin verifioinnissa havaittiin huomattavia eroja mallin ja mitattujen paineiden välillä. Tämä johti mallin tarkempaan tarkasteluun, sekä virhelähteiden ja niiden vaikutusten selvittämiseen. Putkivarusteiden mallinnusmenetelmiä, sekä mallinnusperiaatteita vertailtiin keskenään. Koska jäähdytysveden kokonaiskierto oli riittämätön, tarkasteltiin kolmea vaihtoehtoa riittävän kiertovesimäärän aikaansaamiseksi. Nykyisten kiertovesipumppujen rinnanoperointi, sekä riittävän suureksi skaalatun pumpun käyttö simuloitiin. Kolmantena tapauksena arvioitiin lämmönvaihdinkohtaisen kuristussuunnitelman vaikutus putkiston painehäviöön, sekä putkistolle sopiva kiertovesipumppu. Vaihtoehdoille laskettiin suuntaa-antavat investointi- ja käyttökustannukset. Tarkastelun perusteella riittävän suureksi skaalattu pumppu todettiin kannattavimmaksi pienen hintaeron, sekä luotettavamman jäähdytysvesikierron käyttövarmuuden vuoksi. Työssä onnistuttiin tuottamaan yleispätevää tietoa suljetun jäähdytysvesiverkon hydrauliseen mallinnukseen vaikuttavista tekijöistä, sekä niiden vaikutuksesta mallin tarkkuuteen. Selvityksen perusteella tarkasteltua mallia saatiin tarkemmaksi.

Performance evaluation of hydrocyclone filter for microirrigation

In this study a hydrocyclone filter of 20 cm was selected and its performance was evaluated by studying the variation of discharge, pressure drop, influent concentration, and filtration efficiency with elapsed time of operation. The filter was tested with clean water to determine clean pressure drop and later it was tested with four concentrations of solid suspension, viz. 300; 600; 900 and 1,200 mg L-1. In the concentration of 300 mg L-1, the variation of pressure drop was low. But for the other concentrations of solid suspension, the variation was significant. The maximum pressure drops obtained were 41.19, 45.11, 50.01 and 52.95 kPa at 350, 390, 280 and 190 minutes of elapsed time, respectively. The maximum efficiency of solid suspension was 30.3, 32.96, 43.89 and 52.5% where as the minimum efficiencies were 9.91, 9.93, 9.62 and 9.9%, respectively. The hydrociclone tested presented inefficiency to filter small particles as clay. The initial removal efficiency of higher concentration was bigger than for lower concentration but, the final efficiency are almost the same irrespective of the concentration of solid suspension. The present tested hydrocyclone could be used as a pre-filter microirrigation to prevent emitter clogging.

Vesihöyrypiirin kiertolaskenta kuplapetikattilassa

Työssä selvitetään kiertolaskennan periaatteita kuplapetikattilassa, esitetään lyhyesti kattilan toimintaperiaate ja paneudutaan alan laskentaohjelmistoihin. Luonnonkierto kattilan vesihöyrypiirissä on seurausta hydrostaattisesta paineesta, joka aiheutuu tiheyserosta nousu- ja laskuputkien välillä. Kiertolaskennassa on huomioitava kaksifaasivirtauksen ominaispiirteet. Höyry ja neste virtaavat putkistossa eri nopeuksilla, jolloin esimerkiksi painehäviön määrityksessä käytetään erilaisia korrelaatioita ja käyrästöjä. Kaksifaasivirtauksen laskennassa tarvitaan kolmea eri taseyhtälöä: energiatasetta, massatasetta ja liikemäärätasetta. Luonnonkiertokattiloissa höyrykierron suunnittelussa on kaksi pääasiallista ehtoa. Ensimmäiseksi tulee varmistaa riittävä kiertoveden massavirta, jotta vältetään höyrystinputkien puhki palaminen. Toiseksi tulee välttää höyrystinputken pinnan lämpötilavaihteluita ja värähtelyitä. Alustavassa luonnonkierron mitoituksessa turvaudutaan kokemusperäiseen tietoon. Myöhemmässä tarkemmassa mitoituksessa käytettäviä ohjelmistoja ovat NOWA sekä kaupalliset PPSD ja Apros. Laskenta lähtee liikkeelle siitä, että lasketaan ensin vesihöyrykierron massavirrat erilaisilla lämpökuormilla ja höyryntuotanto määritellään painehäviöiden perusteella. NOWA- ja PPSD- ohjelmistoilla tehtyjen esimerkkilaskelmien perusteella voidaan sanoa, että tulokset riippuvat käytetystä laskentamallista.

Arvometallien liuospuhdistus jatkuvatoimisella ioninvaihdolla

Työn tarkoituksena oli tutkia arvometalleja sisältävän liuoksen puhdistamista jat-kuvatoimisella ioninvaihdolla. Teoriaosassa käsitellään ioninvaihdon periaate, sekä jatkuvatoimisen ioninvaihdon laiteratkaisuja ristivirta- ja vastavirtasysteemeissä. Lopuksi esitellään Simuloidun liikkuvapedin (SMB) virtausnopeuksien laske-miseksi käytettävä kolmiomenetelmä. Kokeellisen osan tarkoituksena on demonstroida laboratorioon rakennetun jatku-vatoimisen ioninvaihtimen, Simuloidun liikkuvapedin, käyttö arvometallia sisäl-tävän liuoksen puhdistamiseksi kahdenarvoisista metalli-ioneista. Kokeissa käy-tettiin hopeaa sisältävää NaCl-liuosta, josta pyrittiin puhdistamaan Mg2+, Ca2+, Pb2+ ja Zn2+-ionit ekstraktina. Laitteistolla suoritettiin kolme ajoa, joista kaksi edusti vastavirtasysteemiä ja yksi ristivirtasysteemiä. Ensimmäisessä vastavirta-ajossa sekä ekstrakti että raffinaattin erottuva hopealiuos tulivat puhtaina. Toisessa vastavirta-ajossa pyrittiin parantamaan tuottavuutta nostamalla syötön virtausnopeutta, jolloin raffinaatin puhtaus kärsi Pb2+ ja Mg2+-ionien kulkeutuessa liuosfaasin mukana raffinaattiin. Ristivirta-ajossa vain yksi kolmesta raffinaatista saavutti 100 % puhtauden. Kokeet osoittivat, että Mg2+, Ca2+, Pb2+ ja Zn2+-ionien erottaminen hopeaionista on mahdollista käyttämällämme SMB-laitteistolla. Tuottavuuden parantaminen syötön virtausnopeutta nostamalla kuitenkin heikentää puhtautta. Cross-flow-systeemin erilleenkytkettyjen kolonnien ansioista painehäviö on pienempi, mikä mahdollistaa korkeammat virtausnopeudet, mikäli ei vaadita 100 % puhtautta.