Phenomenological studies of multiphase flows in chemical processes

Research Project, 2014 – 2017

Kunskapen om flerfasflöden i kemiska processser är i många avseenden låg, vilket medför att processindustrierna och utrustningstillverkarna försöker minimera de tekniska riskerna genom att utveckla system på labskala, därefter skala upp till pilotanläggning för att slutligen bygga en fullskalig process. Processutvecklingen kostar därmed inte bara mycket pengar, ofta hundratals miljoner kronor, utan utvecklingsarbetet tar ofta mycket lång tid, vilket även ökar risken. Avsaknaden av kunskap innebär också att risken kan bedömas så stor att många ny processer aldrig kommer utvecklas. Detsamma gäller utrustningstillverkarna som i avsaknad av kraftfull teoretiska verktyg i stor grad får förlita sig på ´trial and error´ vid design av nya produkter. Existerande simuleringsverktyg är ofta baserade på empiriskt framtagna designekvationer. Dessa modeller är otillräckliga i och med att de bara beskriver traditionell utrustning. Målet för detta projekt är att ta fram en vetenskaplig bas för att kunna utveckla nya kemiska processer och processutrustning genom virtuell design, det vill säga simuleringsbaserad process och produkt utveckling. Syftet är även ta fram de generella matematiska modeller som behövs för att utveckla nya flerfasprocesser mer säkert och med mindre risker. Denna forskning har således stor signifikans då den lägger den vetenskapliga grund för process och produktutveckling som behövs i framtiden. Mer specifikt är målen för detta projekt är att bygga nödvändig kunskap kring några av de fenomen som förekommer inom flerfasflöden, främst sönderdelning av fluid partiklar, samt utveckla matematiska modeller för CFD analyser. I detta projekt ligger fokus på att förstår interaktionen mellan turbulens och den dispersa fasen. De turbulenta strukturerna innehåller energi vilken sönderdelar den dispersa fasen. Sönderdelningen är önskvärd då den ökar fasgränsytan dvs massöverföringsytan ökar vilket tillåter högre reaktionshastigheter. Mekanismen för sönderdelning har studerats i 50 år, dock utan tillgång till teoretiska verktyg som beskrivs i denna ansökan. Det finns modeller inbyggda i kommersiella CFD verktyg. Jag har dock i förstudien visat att dessa är felaktiga termodynamiskt. Med hjälp av simuleringsmetoden jag utvecklat har jag ett tillräckligt starkt teoretiskt verktyg för att studera de grundläggande mekansimerna i turbulenta flerfasflöden. Tillgången till detta verktyg samt vårt flerfaslab med flödesreaktorer tillåter forskning i världsklass. Specifika frågor i projektet är: Vilka virvelstorlekar i det turbulenta energispektrumet bidrar till energiöverföring och sönderdelning av fluidala partiklar? Mina teoretiska analyser samt experiment indikerar att virvlar som är större än partiklarna också bidrar till sönderdelning. Förstudien visar att sönderdelning också kan beror på simultan interaktion med parade turbulent virvlar. I vilken utsträckning sker sönderdelning till följd av interaktion med enskilda respektive parade turbulent virvlar? I hur stor utsträckning följer de fluidala partiklarna de turbulent strukturerna från det de skapas tills dess de har tappat all sin turbulenta energi, och hur kan vi beskriva det matematiskt som funktion av Stokes talet? Mina experiment visar på en stor skillnad i mekanismen för energiöverföring till bubblor och droppar. Hur stora är normal och skjuvspänningarna och hur påverkas de av den lokala turbulenta energin och av skillnader i den kontinuerliga och dispersa fasens viskositet? Mina studier visar att bubblor och droppar bildar helt olika dotterstorleksfördelningar på grund av en intern flödesmekanism. Är det turbulenta tryckfluktuationer som initierar den intern omfördelningsmekanism och hur påverkas detta av fluidernas egenskaper? Hur beskrivs sönderdelningen bäst matematiskt när den ska implementeras i lågupplösta CFD analyser, dvs RANS-baserad turbulensmodellering för ingenjörstillämpningar, och kunskap om multidimensionellt turbulensspektrum? Signifikansen av det föreslagna forskningsprojektet är att det lägger en vetenskaplig grund för teknikutveckling. Den kunskap som byggs upp inom projektet ger möjlighet att bygga generiska modeller för några av de mest grundläggande fenomenen inom turbulenta flerfasflöden i kemiska processer.