Coupling of computational fluid dynamics and population balance modelling for liquid-liquid extraction [Elektronische Ressource] / von Christian Drumm

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• Publié par: technische_universitat_kaiserslautern
• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: English
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Extrait

Coupling of Computational Fluid Dynamics and
Population Balance Modelling for
Liquid-Liquid Extraction


vom Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik der
Technischen Universität Kaiserslautern zur Verleihung des
akademischen Grades

Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)
genehmigte Dissertation
von

Herrn

Dipl.-Ing. Christian Drumm

aus Frohnhofen

Tag der mündlichen Prüfung : 21. Mai 2010

Dekan: Prof. Dr.-Ing. S. Ripperger
Prüfungskommission:
Prüfungsvorsitzender: Prof. Dr.-Ing. M. Böhle
1. Berichterstatter: Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. H.-J. Bart
2. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. M. Kraume

D 386




PREFACE

The research work of this thesis was carried out at the Technical University Kaiserslautern, in
the Department of Separation Science and Technology, during the years 2005-2009. Parts of
the thesis were done in close cooperation with the Fraunhofer ITWM in Kaiserslautern, the
Technomathematics Group of the University Kaiserslautern and the Al Balqa Applied
University in Amman, Jordan.
I would like to thank Prof. Hans-Jörg Bart for the opportunity of studying this interesting and
challenging research work and for supervising this thesis. I am also truly grateful to Professor
Matthias Kraume and Professor Martin Böhle for being members of my PhD commission.
I would also like to thank my colleagues and co-authors Prof. Menwer Attarakih, Mark
Hlawitschka, Dr. Jörg Kuhnert, Vikash Sharma and Dr. Sudarshan Tiwari for their
cooperation, ideas and contribution on this project. Furthermore, I wish to thank my
colleagues and the staff of the department of Separation Science and Technology for pleasant
working atmosphere.
Finally, the warmest thanks to my wife and parents for their patience, trust and support.
Special thanks to my little baby for her smile of happiness and love.
This work was financially supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

Kaiserslautern, May 2010

Christian Drumm








ABSTRACT

The aim of this thesis was to link Computational Fluid Dynamics (CFD) and Population
Balance Modelling (PBM) to gain a combined model for the prediction of counter-current
liquid-liquid extraction columns. Parts of the doctoral thesis project were done in close
cooperation with the Fraunhofer ITWM. Their in-house CFD code Finite Pointset Method
(FPM) was further developed for two-phase simulations and used for the CFD-PBM coupling.
The coupling and all simulations were also carried out in the commercial CFD code Fluent in
parallel. For the solution methods of the PBM there was a close cooperation with Prof.
Attarakih from the Al-Balqa Applied University in Amman, Jordan, who developed a new
adaptive method, the Sectional Quadrature Method of Moments (SQMOM).
At the beginning of the project, there was a lack of two-phase liquid-liquid CFD
simulations and their experimental validation in literature. Therefore, stand-alone CFD
simulations without PBM were carried out both in FPM and Fluent to test the predictivity of
CFD for stirred liquid-liquid extraction columns. The simulations were validated by Particle
Image Velocimetry (PIV) measurements. The two-phase PIV measurements were possible
when using an iso-optical system, where the refractive indices of both liquid phases are
identical. These investigations were done in segments of two Rotating Disc Contactors with
150mm and 450mm diameter to validate CFD at lab and at industrial scale. CFD results of the
aqueous phase velocities, hold-up, droplet raising velocities and turbulent energy dissipation
were compared to experimental data. The results show that CFD can predict most phenomena
and there was an overall good agreement.
In the next steps, different solution methods for the PBM, e.g. the SQMOM and the
Quadrature Method of Moments (QMOM) were implemented, varied and tested in Fluent and
FPM in a two-fluid model. In addition, different closures for coalescence and breakage were
implemented to predict drop size distributions and Sauter mean diameters in the RDC DN150
column. These results show that a prediction of the droplet size distribution is possible, even
when no adjustable parameters are used. A combined multi-fluid CFD-PBM model was
developed by means of the SQMOM to overcome drawbacks of the two-fluid approach.
Benefits of the multi-fluid approach could be shown, but the high computational load was
also visible. Therefore, finally, the One Primary One Secondary Particle Method (OPOSPM),
which is a very easy and efficient special case of the SQMOM, was introduced in CFD to
simulate a full pilot plant column of the RDC DN150. The OPOSPM offers the possibility of
a one equation model for the solution of the PBM in CFD. The predicted results for the mean
droplet diameter and the dispersed phase hold up agree well with literature data. The results
also show that the new CFD-PBM model is very efficient from computational point of view
(two times less than the QMOM and five times less than the method of classes).
The overall results give rise to the expectation that the coupled CFD-PBM model will lead
to a better, faster and more cost-efficient layout of counter-current extraction columns in
future.
ZUSAMMENFASSUNG

Ziel der Arbeit war die Verknüpfung von Computational Fluid Dynamics (CFD) und des
Populationsbilanzmodells (PBM), um mit diesem kombinierten Werkzeug die Simulation von
gerührten Gegenstromextraktionskolonnen weiterzuentwickeln und zu verbessern. Die
Simulation von Gegenstromextraktionskolonnen basiert zurzeit auf einfachen Methoden wie
dem Dispersionsmodell, bei dem ein Parameter, der Dispersionskoeffizient, die gesamten
Strömungsnichtidealitäten subsummiert. Mit der Tropfenpopulationsbilanzmodellierung
(TPBM) werden Koaleszenz und Zerfall der Tropfen berücksichtigt, wodurch eine höhere
Güte der Beschreibung erreicht wird. Die Nichtidealitäten der Strömung werden in reinen
Tropfenpopulationsbilanzmodellen jedoch weiterhin durch einfache Modelle wie dem
Dispersionsmodell beschrieben und es werden homogene Bedingungen in einem
Extraktionskompartment vorausgesetzt. Im Gegensatz dazu können mit Hilfe von CFD
turbulente Strömungen lokal aufgelöst werden, wodurch eine Verknüpfung von CFD und
PBM die genannten Vereinfachungen beseitigen und zu einer verbesserten Auslegung und
Vorhersage von Extraktionskolonnen führen kann. In einem gekoppelten Modell liefert CFD
die turbulenten Strömungsinformationen und PBM detaillierte Informationen zum
Tropfenschwarm, wobei beide Methoden durch diese Kopplung voneinander profitieren.
Teile der Arbeit entstanden in Kooperationen mit dem Fraunhofer ITWM in Kaiserslautern
und dem Lehrstuhl für Technomathematik an der TU Kaiserslautern. Im Rahmen der
Kooperation mit dem ITWM wurde die Finite Pointset Methode (FPM) als CFD Code für die
Kopplung verwendet. Parallel dazu wurde die Kopplung auch eigenständig mit dem
kommerziellen CFD Code Fluent durchgeführt.
Zunächst wurde die Leistungsfähigkeit der CFD-Methoden für die Simulation von
Gegenstromextraktionskolonnen untersucht und eine Grundlage für die spätere Verknüpfung
zwischen CFD und PBM geschaffen. Speziell zweiphasige Simulationen gerührter
Gegenstromextraktionskolonnen waren in der Literatur kaum vorhanden. Die wenigen
Veröffentlichungen zu diesem Thema zeigen keinen Vergleich mit experimentellen
Ergebnissen oder haben Konvergenzprobleme. Die Ein- und Zweiphasenströmung in einer
RDC (rotating disc contactor) Extraktionskolonne (150 mm) wurde daher sowohl mit FPM als
auch mit dem kommerziellen CFD Code Fluent simuliert. Zur Validierung der CFD
Simulationen wurden experimentelle Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen
durchgeführt, wobei im zweiphasigen Betrieb ein isooptisches Stoffsystem (Glycerin/Wasser-
Heptan) verwendet wurde. Es zeigte sich, dass die durchgeführten CFD Simulationen die
Strömung der wässrigen Phase und den Hold-up in einer Extraktionskolonne, bei richtiger
Wahl des Turbulenzmodelles und der Randbedingungen, gut wiedergeben. Die gitterfreie
Methode FPM lieferte hierbei ähnlich gute Ergebnisse wie der kommerzielle Code und muss
den Vergleich nicht scheuen. Auf dieser Basis wurde die weitere Verknüpfung zwischen CFD
und PBM aufgebaut.
Um die Vorhersagbarkeit von CFD auch für den industriellen Maßstab zu testen, wurden
die CFD Simulationen und PIV Messungen auch an einem Segment einer RDC Kolonne, im
industriellen Maßstab, mit 450 mm Durchmesser durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass
CFD auch in dieser Größenordnung brauchbare Vorhersagen liefert, wobei die


Vorhersagegenauigkeit im Vergleich zur kleinen Geometrie im zweiphasigen Betrieb etwas
abnimmt. Zusätzlich wurde in der großen Kolonne auch die turbulente Energiedissipation aus
den PIV Messungen berechnet und mit der Simulation verglichen. Diese ist eine wichtige
Größe bei der Modellierung von Koaleszen