Publication: Two dimensional fluidized bed dynamics
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Publication date
2010-02
Defense date
2010-02-05
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Abstract
There are different equipments where solid-gas reactions can take place. One of the most used equipments for these processes, are the uidized beds due to their high reaction rate per unit reactor volume. This complex gas-solid flow is often difficult to model because of the very different length scales that are present, so that additional fundamental investigations are needed before reliable models can be developed for the performance of fluidized beds. Among the different aspects in need of additional research, this PhD thesis focuses on the experimental investigation of the uid dynamics of the fluidized bed by use of pressure probes as well as nonintrusive measurements, based on Particle Image Velocimetry (PIV) and Digital Image Analysis (DIA) techniques, to characterize the flow in a two-dimensional experimental facility. In particular, the DIA technique is employed for the interpretation of images taken with a high-speed camera for different operating conditions. A clear difference between the dense phase and the bubble phase is established, thereby enabling different bubble parameters such as equivalent diameter, bubble mass center and bubble velocity to be quantified. In addition, the selected DIA technique allows us to detect and characterize dynamical bubble phenomena including bubble formation, growth and coalescence. In addition, to characterize the in fluence of the bubbles on the dense phase, the dense phase velocity has been measured with use made of the PIV technique. This PhD thesis reports relevant results with the aim to a better understanding of the dense and bubble phases interaction for different operation conditions, distributor design, fixed bed height, particle size and bed thickness. As a novel result, the circulation time was obtained, yielding an order-of-magnitude estimate for the mixing degree within the reactor. The present work also analyzes the effect of the bed thickness in the minimum uidization velocity, since this value is one of the most important parameters for reactor-design purposes. The influence regions promoted by the bubbles in the dense phase have been calculated, identifying and measuring the upwards and downwards solid movement regions around the bubble. The bubble size and the bubble velocity have been correlated with the volumetric dissipation of kinetic energy in the dense phase, providing information about the attrition phenomena responsible of the mechanical stress which leads to the gradual degradation of the individual bed particles, which in turn affects the fluidized bed behavior. Also, the influence of the grid configuration has been investigated. It has been proved that two uniform multi-orifice distributors, having the same pressure drop but different grid configurations yield the same dynamical bubble pattern and global bed behavior when the beds are operated at the same fluidization conditions. Consequently for the fluidization conditions covered, the overall bed dynamics for uniform gas distribution, do not depend on the grid configuration.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Actualmente existen multitud de procesos en los que se pueden encontrar reacciones sólido-gas. Los reactores de lecho fluidizado se muestran como uno de los sistemas más adecuados para este tipo de reacciones debido a su alta capacidad de mezcla por unidad de volumen. Precisamente esta característica hace que en los lechos fluidos presenten diferentes longitudes de escalas haciendo muy compleja su modelización, de ahí la importancia de los estudios fundamentales sobre lechos fluidos a la hora de ayudar en el modelado y diseño de este tipo de reactores. De entre los diferentes campos de investigación en los lechos fluidos, esta tesis se centra en el estudio experimental de la dinámica de un lecho fluido bidimensional mediante el uso de sondas de presión así como de técnicas no intrusivas de medida basadas en la Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV) y en Análisis Digital de Imágenes (DIA), para diferentes condiciones de operación. En concreto, se ha utilizado la técnica DIA para el tratamiento digital de las imágenes capturadas mediante una cámara de alta velocidad , pudiendo así hacer una clara separación entre la fase densa y la fase burbuja, caracterizando las burbujas mediante su diámetro equivalente, posición de centro de masas y velocidad. La técnica DIA permite además observar de manera detallada los fenómenos de formación, crecimiento y coalescencia de las burbujas a lo largo del lecho. Además, para caracterizar la influencia de la burbuja sobre la fase densa, se ha utilizado la técnica de PIV para medir la velocidad de ésta. Esta tesis aporta resultados relevantes con el objetivo de ayudar a entender mejor la interacción entre ambas fases del lecho para diferentes condiciones de operación, tipos de distribuidor, altura de lecho fijo, tamaño de partícula y espesor del lecho. Como resultado novedoso se ha calculado el tiempo de recirculación medio de las partículas del lecho, pudiendo así definir el grado de mezcla del reactor. Este trabajo también estudia la influencia del tamaño del espesor del lecho en la velocidad de mínima fluidización, ya que este valor es uno de los parámetros de diseño más importantes. También se ha calculado la región de influencia que una burbuja provoca a su paso en la fase densa, identificando y midiendo el movimiento de los sólidos alrededor de la burbuja. Se ha establecido una relación entre el tamaño y velocidad de la burbuja con la disipación de energía cinética en la fase densa, esta relación está directamente relacionada con los procesos de degradación de la materia. Este fenómeno es de gran importancia ya que la degradación de la fase densa genera partículas de menor tamaño y esto influye directamente en el comportamiento general del lecho. En esta tesis también se ha investigado la influencia de la distribución de orificios a lo largo del distribuidor. Se ha comprobado que dos distribuidores multi-orificio homogéneamente distribuidos, con la misma perdida de carga pero diferente disposición de orificios, generan, bajo las mismas condiciones de operación, la misma respuesta dinámica del lecho. Podemos entonces concluir que para las condiciones de operación de este trabajo y una distribución de gas uniforme, el comportamiento global del lecho fluido no depende de la disposición de orificios a lo largo del distribuidor.
Actualmente existen multitud de procesos en los que se pueden encontrar reacciones sólido-gas. Los reactores de lecho fluidizado se muestran como uno de los sistemas más adecuados para este tipo de reacciones debido a su alta capacidad de mezcla por unidad de volumen. Precisamente esta característica hace que en los lechos fluidos presenten diferentes longitudes de escalas haciendo muy compleja su modelización, de ahí la importancia de los estudios fundamentales sobre lechos fluidos a la hora de ayudar en el modelado y diseño de este tipo de reactores. De entre los diferentes campos de investigación en los lechos fluidos, esta tesis se centra en el estudio experimental de la dinámica de un lecho fluido bidimensional mediante el uso de sondas de presión así como de técnicas no intrusivas de medida basadas en la Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV) y en Análisis Digital de Imágenes (DIA), para diferentes condiciones de operación. En concreto, se ha utilizado la técnica DIA para el tratamiento digital de las imágenes capturadas mediante una cámara de alta velocidad , pudiendo así hacer una clara separación entre la fase densa y la fase burbuja, caracterizando las burbujas mediante su diámetro equivalente, posición de centro de masas y velocidad. La técnica DIA permite además observar de manera detallada los fenómenos de formación, crecimiento y coalescencia de las burbujas a lo largo del lecho. Además, para caracterizar la influencia de la burbuja sobre la fase densa, se ha utilizado la técnica de PIV para medir la velocidad de ésta. Esta tesis aporta resultados relevantes con el objetivo de ayudar a entender mejor la interacción entre ambas fases del lecho para diferentes condiciones de operación, tipos de distribuidor, altura de lecho fijo, tamaño de partícula y espesor del lecho. Como resultado novedoso se ha calculado el tiempo de recirculación medio de las partículas del lecho, pudiendo así definir el grado de mezcla del reactor. Este trabajo también estudia la influencia del tamaño del espesor del lecho en la velocidad de mínima fluidización, ya que este valor es uno de los parámetros de diseño más importantes. También se ha calculado la región de influencia que una burbuja provoca a su paso en la fase densa, identificando y midiendo el movimiento de los sólidos alrededor de la burbuja. Se ha establecido una relación entre el tamaño y velocidad de la burbuja con la disipación de energía cinética en la fase densa, esta relación está directamente relacionada con los procesos de degradación de la materia. Este fenómeno es de gran importancia ya que la degradación de la fase densa genera partículas de menor tamaño y esto influye directamente en el comportamiento general del lecho. En esta tesis también se ha investigado la influencia de la distribución de orificios a lo largo del distribuidor. Se ha comprobado que dos distribuidores multi-orificio homogéneamente distribuidos, con la misma perdida de carga pero diferente disposición de orificios, generan, bajo las mismas condiciones de operación, la misma respuesta dinámica del lecho. Podemos entonces concluir que para las condiciones de operación de este trabajo y una distribución de gas uniforme, el comportamiento global del lecho fluido no depende de la disposición de orificios a lo largo del distribuidor.
Description
Keywords
Fluid dynamics, Fluidized beds, Particle image velocimetry, Digital image analysis, Dinámica de fluidos, Lechos fluidos, Velocimetría por imágenes de partículas, Análisis digital de imágenes