Roterugnar är cylindriska kärl som används för att höja materials temperaturer i en kontinuerlig process som kallas för kalcinering. Roterugnar kan tillämpas i olika processer såsom reduktion av oxidmalm samt återvinning av farligt avfall. Fördelen med roterugnar ligger i dess förmåga att hantera råmaterial som sträcker sig från slam till granulära material med en mängd olika partikelstorlekar, och därigenom upprätthålla distinkta miljöer såsom en bädd av fasta partiklar som samexisterar med ett oxiderande fribord. Sex olika bäddbeteende har dokumenterats med avseende på fyllningsgrad samt Froude nummer. Syftet med denna studie var att utveckla en tvådimensionell suspensions modell med CFD genom att använda den kommersiella mjukvaran COMSOL 5.5 för att simulera de två faser, gas och fast, som en blandad fas efter verk av Philips et. al., Physics of Fluids A: Fluid Dynamics 4.1 (1992) 30-40 och Acrivos & Zhang., International Journal Multiphase Flow 20.3 (1994) 579-591. Denna modell undersöktes genom att jämföra den med de dokumenterade flödesregimerna samt genom parameter som partikelstorlek, partikeldensitet och viskositeten hos gas i flödesregimen känd som rullande läge. Dessutom undersöktes temperaturprofilen för den roterande ugnen genom att utforska hur blandningsvariationer av den fasta bädden i den roterande ugnen påverkas av värmeöverföringen när värme tillförs från väggen under rullande läge. Resultaten av den tvådimensionella suspension modellen visade att det var bara möjligt att simulera glidläge korrekt; andra lägen kunde inte beskrivas som dokumenterat i litteraturen. Det indikeras att vilovinkeln och viskösa krafter i den roterande ugnen var låga vilket resulterade i att suspensions modellen inte kunde avbilda exakt de återstående flödesregimerna som dokumenterat. Till exempel avbildades rullningsläget mer likt forsandeläge då partiklarna fall fritt efter höjning av bädden. Partikelstorlek och partikeldensitet har visat sig ha en betydande påverkan på suspensions modellen eftersom de viskösa krafterna blir låga för en partikelstorlek och partikeldensitet under 0,4 mm respektive 1500 kg/m3. Angående gasens viskositet visades det sig att ju närmare värdet 2.055e-3 (Pa*s) den blev desto större blev sedimentationsflödet vilket resulterade i att bäddpartiklarna dras ner och förblir där. Suspensions modellen kunde således simulera en fast och flytande fas och inte en gasfas som avsett. Slutligen visade temperaturanalysen att påverkan av den termiska konduktiviteten var mer signifikant än den specifika värmekapaciteten i intervallet 1 - 50 (W/(m*K)) respektive 300 - 800 (J/(kg*K)) på grund av den tid det tog att nå en homogen temperaturprofil. / Rotary kilns are cylindrical vessels used to raise materials temperature in a continuous process known as calcination. Rotary kilns find application in various processes such as reduction of oxide ore and hazardous waste reclamation. The advantage of the rotary kiln lies in its ability to handle feedstock ranging from slurries to granular materials with a variety of particle size, thereby maintaining distinct environments such as a bed of solid particles coexisting with an oxidising freeboard. Six different bed behaviours within the kiln have been documented with respect to the filling degree and Froude number. The aim of this study was to develop a two-dimensional suspension model with CFD by using the commercial software COMSOL 5.5 to simulate the two phases, gas and solid, as a mixed phase, following the works of Philips et. al., Physics of Fluids A: Fluid Dynamics 4.1 (1992) 30-40 and Acrivos & Zhang., International Journal Multiphase Flow 20.3 (1994) 579-591. This model was investigated by comparing it against the documented flow regimes as well as through parameters such as particle size, particle density and viscosity of gas in the flow regime known as rolling mode. In addition, the temperature profile of the rotary kiln was investigated by exploring how the mixture variation of the solid bed within the rotary kiln affects the heat transfer when heat is supplied from the wall during a rolling mode. The results of the two-dimensional suspension model showed that it was only possible to simulate the slipping mode accurately; others mode could not be described as documented in literature. It is indicated that the angle of repose and viscous forces within the rotary kiln were low resulting in the suspension model not being able to accurately depict the remaining flow regimes as documented. For instance, the rolling mode was depicted more as a cataracting mode due to the free fall of particles after elevation of the bed. The particle size and the particle density were found to have a significant impact on the suspension model as the viscous forces became low for a particle size and particle density below 0.4 mm and 1500 kg/m3 respectively. As for the viscosity of gas it was found that the closer it got to the value 2.055e-3 (Pa*s) the sedimentation flux became too large resulting in the bed particles being pulled down and remaining there. Thus, the suspension model could simulate a solid and liquid phase and not a gas phase as intended. Lastly, the temperature analysis revealed that the impact of the thermal conductivity was more significant than the specific heat capacity in the range of 1 - 50 (W/(m*K)) and 300 - 800 (J/(kg*K)) respectively, due to the time it took to reach a homogeneous temperature profile.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-302460 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Khawaja, Danial |
| Publisher | KTH, Kemiteknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-CBH-GRU ; 2021:199 |
Page generated in 0.0021 seconds