Utilization of phenomena-based modeling in unit operation design

• Main Author: Kulju, T. (Timo)
• Other Authors: Muurinen, E. (Esa)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2014
• Subjects: chemical engineering; numerical modeling; phenomena-based modeling; unit process design; ilmiöpohjainen mallinnus; kemiantekniikka; numeerinen mallinnus; yksikköprosessien suunnittelu; CFD; DEM
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526207124; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526207124

Abstract In the design and development of unit operations in chemical engineering, experimental testing is often very expensive or even impossible to perform. In these kinds of situations, numerical simulations offer a good approach to study process characteristics. Typically in chemical engineering, data-based modeling is applied to study the process. This requires many experiments for tuning the model parameters and validating the model. In a phenomenology-based approach, the evolution of the system is dictated by fluid and particle transport equations. These equations are independent of the process, and can therefore be applied in various systems. However, depending on the system, there are several aspects that have to be taken into account in order to choose the correct model for the problem in hand. In this work, computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM) modeling have been applied in different unit operations in the field of chemical engineering. CFD was applied in preventing sedimentation in a tube heat exchanger, estimating the cooling efficiency of a vertical water jet onto a hot metal plate, and studying the formation of the slag free open-eye area on the steel ladle. For comparison, DEM was applied in the continuous high-shear granulation of pharmaceutical powder. The different models used in this work are reviewed, and the results are presented from the point of view of model and process development. The grid aspects in CFD simulations and the termination criteria for DEM and CFD simulations are also studied. Based on the results of this work, phenomenological modeling can be considered to be an efficient tool for unit operation design. Together with experimental work, different modeling strategies offer a powerful tool for the design and development of unit operations. === Tiivistelmä Kemiantekniikan yksikköprosessien suunnittelussa kokeellinen tutkimus on usein erittäin kallista ja joskus jopa mahdotonta toteuttaa. Tällöin mallinnus tarjoaa hyvän lähestymistavan yksikköprosessin ominaisuuksien tutkimiselle. Tyypillisesti kemianteollisuudessa, datapohjaista mallinnusmenetelmiä on käytetty systeemin ominaisuuksien tutkimiseksi. Tämä menetelmä vaatii kuitenkin paljon koetoistoja mallin parametrien virittämiseksi ja mallin validoimiseksi. Ilmiöpohjaisessa mallinnuksessa, systeemin aikakehitys määräytyy fluidi- ja partikkelivirtauksia määräävien kuljetusyhtälöiden perusteella. Nämä yhtälöt ovat prosessista riippumattomia, jolloin niitä voidaan soveltaa yleisesti mihin tahansa systeemiin. Riippuen kuitenkin tutkittavasta yksikköprosessista, eri asioita on otettava huomioon, jotta oikea malli voidaan valita kuvaamaan systeemiä. Tässä työssä virtauslaskentaa (computational fluid dynamics, CFD) ja partikkelimenetelmää (discrete element method, DEM) on käytetty erilaisten kemiantekniikan yksikköprosessien tutkimuksessa. CFD:n avulla on tutkittu putkilämmönvaihtimen sedimentaation ehkäisyä, laminaarisen suorasuihkujäähdytyksen tehokkuutta teräslevyn jäähdytyksessä, sekä senkkaprosessissa teräksen pinnalle ilmestyvän kuonasilmäkkeen muodostumista. DEM mallinnusta käytettiin lääkejauheen jatkuvatoimisen rakeistuksen tutkimuksessa. Mallinnuksessa käytetyt mallit esitellään ja niiden tulokset esitellään malli- ja prosessikehityksen näkökulmasta. Työssä on otettu myös esille mallinnustekniset asiat CFD:n vaatiman laskentahilan ja laskennan lopetuskriteerien näkökulmasta. Työssä esitettyjen tulosten perusteella voidaan todeta, että ilmiöpohjainen mallinnus on tehokas työkalu yksikköprosessien suunnittelussa. Yhdessä kokeellisen tutkimuksen kanssa, eri mallinnusmenetelmät tehostavat yksikköprosessien suunnittelua ja kehitystä.