Mittausmenetelmien kehittaminen kuplakolonnille

Kuplakolonnireaktoreiden CFD-mallinnus on talla hetkella voimakkaasti kehittyva tutkimusalue. Kaksifaasivirtauksen luotettava simulointi ja mallintaminen on haastavaa kuplakolonnireaktorissa tapahtuvien ilmioiden monimutkaisuuden vuoksi. Reaktorin kayttaytymiseen vaikuttavat tekijat, kuten kolonnin hydrodynamiikka ja aineensiirto, tulee tuntea hyvin ennen mallien tekoa. Tassa tyossa on kokeellisesti tutkittu erilaisten mittausmenetelmien soveltuvuutta kuplakolonnin hydrodynamiikan tutkimiseen. Mittausmenetelmissa on keskitytty erityisesti CFD-mallien vaatimiin paikallisiin mittauksiin. Lisaksi tyossa on arvioitu mittausmenetelmien soveltuvuutta j a luotettavuutta CFD-mallien validointiin. Tyon kirjallisuusosassa on perehdytty kuplakolonnireaktorin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen ja siihen vaikuttaviin tekijoihin. Naita ovat mm. reaktorityypit, kaasun dispergointi, virtaustyypit ja -alueet, kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko ja kuplan nousunopeus. Mittauksia tehtiin kahdessa erikokoisessa kuplakolonnissa, joista pienemman halkaisija oli 0,078 m ja suuremman 0,182 m. Molempien kolonnien nestepinnan korkeus oli 4,62 m. Mittaukset tehtiin vesijohtovedella ja epaorgaanisella prosessiliuoksella. Hydrodynaamisista ominaisuuksista mitattiin kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko seka kaasukuplan nousunopeus. Kaasun tilavuusosuusmittaukset tehtiin paaasiassa paine-eromittauksella ja joissakin tapauksissa pinnanmittausmenetelmalla. Kuplakoko- ja kuplan nousunopeusmittaukset tehtiin suumopeusvideokameralla ja laser Doppler-anemometrilla. Mittauksissa kaytettiin kahdeksaa erilaista kaasunjakolaitetta, joilla selvitettiin kaasunjakolaitteen ominaisuuksien vaikutusta kolonnin hydrodynamiikkaan. Tuloksista havaittiin, etta nestefaasin ominaisuuksilla oli suuri vaikutus kolonnin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen. En kaasunjakolaitteilla vesijohtovedella mitatut hydrodynaamiset ominaisuudet eivat poikenneet paljoa toisistaan, kun taas prosessiliuoksella kaasunjakolaitteiden valille saatiin huomattavat erot. Mittausmenetelmista laser Doppler-anemometri ei kaytettavissa olleella optiikalla soveltunut kaasukuplien mittaamiseen. Kuplat olivat menetelmalle liian suuria. Suumopeusvideokamerallaja paine-eromittauksella paastiin hyviin tuloksiin.

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.

Fischer-Tropsch Slurry Bubble Column Reactor Modeling

The literature part of the work reviews overall Fischer-Tropsch process, Fischer-Tropsch reactors and catalysts. Fundamentals of Fischer-Tropsch modeling are also presented. The emphasis is on the reactor unit. Comparison of the reactors and the catalysts is carried out to choose the suitable reactor setup for the modeling work. The effects of the operation conditions are also investigated. Slurry bubble column reactor model operating with cobalt catalyst is developed by taking into account the mass transfer of the reacting components (CO and H2) and the consumption of the reactants in the liquid phase. The effect of hydrostatic pressure and the change in total mole flow rate in gas phase are taken into account in calculation of the solubilities. The hydrodynamics, reaction kinetics and product composition are determined according to literature. The cooling system and furthermore the required heat transfer area and number of cooling tubes are also determined. The model is implemented in Matlab software. Commercial scale reactor setup is modeled and the behavior of the model is investigated. The possible inaccuraries are evaluated and the suggestions for the future work are presented. The model is also integrated to Aspen Plus process simulation software, which enables the usage of the model in more extensive Fischer-Tropsch process simulations. Commercial scale reactor of diameter of 7 m and height of 30 m was modeled. The capacity of the reactor was calculated to be about 9 800 barrels/day with CO conversion of 75 %. The behavior of the model was realistic and results were in the right range. The highest uncertainty to model was estimated to be caused by the determination of the kinetic rate.