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Numerical and Experimental Investigation of Liquid and Gas/Liquid Flows in Stirred Tank Reactors

Hamed Bashiri

Thèse de doctorat (2015)

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Citer ce document: Bashiri, H. (2015). Numerical and Experimental Investigation of Liquid and Gas/Liquid Flows in Stirred Tank Reactors (Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal). Tiré de https://publications.polymtl.ca/1886/
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Résumé

Les réacteurs à cuve agitée (STR) sont couramment utilisés dans les industries pétrolières, chimiques, biochimiques, pétrochimiques, minières et métallurgiques. De nos jours, ralenties par des facteurs et des barrières tant économiques qu’environnementaux, ces industries sont ardemment à la recherche de procédés efficaces et fiables permettant de minimiser le gaspillage d’énergie et de matières premières ainsi que la production de sous-produits indésirables et nocifs. De fait, la recherche de lignes directrices pour la mise à l’échelle de tels procédés, du laboratoire à l’échelle industrielle, est devenue une tâche indispensable pour les ingénieurs des procédés. Les procédures classiques de conception et de mise à l’échelle des STR supposent que les paramètres hydrodynamiques sont constants à travers le réacteur (hypothèse du “mélange parfait”). Cette hypothèse est assez simpliste et sans doute abusive, particulièrement pour les STR de grands volumes. Il est reconnu que la conception et la mise à l’échelle d’équipements de procédé peuvent difficilement être couronnées de succès sans la prise en compte de l’hydrodynamique locale. Une compréhension de l’hydrodynamique et du mélange est donc essentielle pour la conception et la mise à l’échelle précises des STR. L’objectif général de cette étude a par conséquent été d’améliorer la compréhension de l’hydrodynamique à l’intérieur des STR et d’aider la conception et la mise à l’échelle de tels systèmes. Pour atteindre cet objectif, une combinaison judicieuse de divers outils de conception incluant la modélisation compartimentale (CM), la mécanique des fluides numérique (CFD) et la mécanique des fluides expérimentale (EFD) a été utilisée. Comme le taux de dissipation de l’énergie cinétique de turbulence () affecte de façon importante la performance des STR, la première partie de cette thèse a été consacrée aux effets des conditions opératoires et de la mise à l’échelle sur la distribution de  dans les STR. Les résultats de simulations CFD monophasiques par la méthode des volumes finis sur des STR équipés d’une turbine Rushton (RT) ont été utilisés pour déterminer les paramètres d’un modèle à deux zones compartimentales qui y décrit l’inhomogénéité de la turbulence. Une méthode améliorée a été proposée pour trouver la frontière entre deux régions caractéristiques. A l’aide de cette méthode, les effets de divers critères classiques de mise à échelle ont été étudiés. Il a été observé que la distribution de  et, en conséquence, les paramètres du modèle compartimental changent considérablement lorsque les critères classiques de mise à l’échelle ont été suivis. Par la suite, la méthode non-intrusive dite du suivi de particules radioactives (RPT) a été utilisée pour une analyse exhaustive de l’écoulement parfaitement turbulent du fluide dans un STR de laboratoire équipé d’une turbine RT ou d’une turbine à pales inclinées (PBT). Cette étude couvre les descriptions eulérienne et lagrangienne du mouvement du fluide. Les mesures RPT du champ d’écoulement turbulent dans un STR agité par une turbine RT ont été comparées à des mesures laser et à des résultats de simulations CFD de modèles de turbulence basés sur une méthode de RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes). Un bon accord a été trouvé entre toutes les méthodes pour les profils de vitesse moyenne tridimensionnelle prédits et mesurés en tous points du STR. La technique RPT a été utilisée pour la première fois pour mesurer le champ d’écoulement turbulent dans une cuve agitée par une turbine PBT. Deux indices de mélange, un basé sur le concept d’indépendance stochastique et l’autre sur le concept statistique de perte de mémoire dans les procédés de mélange, ont été utilisés pour mesurer le temps de mélange à l’aide des données RPT. Cette étude montre que la technique RPT s’avère très prometteuse pour étudier les écoulements turbulents et les caractéristiques du mélange dans les STR, ainsi que pour évaluer la validité des modèles numériques. La RPT a aussi été utilisée pour valider un modèle CFD simulant les écoulements turbulents monophasiques. Les résultats de ce modèle ont été utilisés comme une condition initiale pour des simulations CFD plus complexes d’écoulement turbulent gaz-liquide dans des STR qui présentées dans la dernière partie de la thèse. Finalement, la troisième partie de la thèse présente le développement d’un modèle multi-échelle d’écoulement gaz-liquide comme outil pour la conception et la mise à l’échelle de STR. Le modèle est basé sur la compartimentalisation du STR en zones et l’utilisation de simulations simplifiées d’écoulement gaz-liquide moins coûteuses en temps calcul. Ce modèle a prédit la valeur moyenne du coefficient volumique de transfert de matière (kLa) dans chaque zone à l’aide de paramètres hydrodynamique locaux y figurant (c.-à-d. rétention de gaz et le taux de dissipation de l’énergie cinétique de turbulence du liquide). La validité du modèle à chaque étape a été scrupuleusement évaluée à l’aide de données de la littérature. Le modèle proposé a été capable de prédire le coefficient volumique global de transfert de matière à l’intérieur du STR avec une bonne précision. À l’aide de ce modèle, il est apparu que les contributions de chaque zone au transfert de matière global à l’intérieur du STR peuvent changer considérablement en modifiant les conditions opératoires et la mise à l’échelle. Il a été estimé que, en accroissant le volume du STR, le kLa global avait diminué d’au moins 20% suite à une mise à l’échelle classique. L’originalité scientifique du présent travail repose sur (a) l’introduction d’une nouvelle méthode pour trouver la localisation de la frontière entre deux zones compartimentales caractéristiques des STR qui y décrivent l’inhomogénéité de la turbulence, (b) l’investigation systématique des effets des conditions opératoires et des différentes approches de mise à l’échelle sur le degré d’inhomogénéité de la turbulence dans les STR équipés de turbine RT, (c) les études expérimentales exhaustives sur les écoulements turbulents dans des STR à l’aide de la technique RPT pour les turbines RT et PBT, (d) l’introduction d’une nouvelle méthode pour la mesure non-invasive du temps de mélange dans les STR basée sur le concept statistique de perte de mémoire, (e) le développement d’un modèle multi-échelle pour les écoulements gaz-liquide comme outil de conception et de mise à l’échelle du STR, et (f) l’examen attentif de l’impact des conditions opératoires et de la mise à l’échelle sur les valeurs du coefficient volumique local de transfert de matière. Les découvertes de cette étude ont permis de mettre en lumière les paramètres hydrodynamiques importants pour la conception et la mise à l’échelle des STR. À cet égard, il est permis de croire que des améliorations significatives dans leur conception pourront être réalisées à l’aide du modèle multi-échelle proposé étant donné qu’il considère à la fois le champ d’écoulement effectif et des paramètres hydrodynamiques locaux. ---------- Stirred tank reactors (STRs) are widely used in the petroleum, chemical, biochemical, petrochemical, mineral and metallurgical industries. Nowadays, submerged by both economic and environmental drivers and barriers, industries urge for efficient and reliable processes in order to minimize the waste of energy and raw materials, as well as the production of un- desirable and harmful by-products. As a result, finding adequate rules for scaling up such processes from the laboratory to an industrial scale has become a crucial task for process engineers. The conventional procedures for design and scale-up of STRs assume that the values of hydrodynamic parameters are constant in the entire reactor (”well-mixed” assump- tion). This assumption is quite rudimentary and may even be far-fetched, particularly for large-scale STRs. It is well known that the design and scale-up of process equipment can barely be successful without taking local hydrodynamics into account. An understanding of the hydrodynamics and mixing is thus essential for the precise design and scale-up of STRs. The overall objective of this study was to gain insight into the hydrodynamics prevailing in STRs, and help improve the design and scale-up of such systems. To meet this objective, strategic combinations of various design tools, including compartmental modeling (CM), computational fluid dynamics (CFD) and experimental fluid dynamics (EFD), were used. As the turbulent energy dissipation rate (ε) significantly affects the performance of STRs, the first part of this thesis presents the effects of operating conditions and the scale-up on the distribution of ε in STRs. The results of single-phase finite-volume CFD simulations of STRs equipped with a Rushton turbine (RT) were used to determine the parameters of a two- compartment model that describes the turbulent non-homogeneities therein. An improved method was proposed to find the boundary between the two characteristic regions. Using this method, the effects of various conventional scale-up criteria were investigated. It was observed that the distribution of ε and, as a result, the compartmental model parameters change considerably when conventional scale-up rules were followed.
Next, so-called radioactive particle tracking (RPT) as a non-intrusive measurement technique was used for the comprehensive analysis of the fully turbulent fluid flow in a laboratory- scale STR equipped with an RT or a pitched blade turbine (PBT). This study covers the Eulerian and Lagrangian descriptions of fluid motions. The RPT measurement of the turbulent flow field in an STR agitated by an RT was benchmarked with CFD simulations of RANS-based turbulence models and laser-based measurements. A good agreement was found between all the methods for the measured and predicted 3D mean velocity profiles at all locations in the STR. The RPT technique was used to measure the turbulent flow field in a tank agitated by a PBT for the first time. Two mixing indices, one based on the concept of stochastic independence and the other on the statistical concept of memory loss in mixing processes, were used to measure mixing times using RPT data. This study shows that the RPT technique holds great promise for investigating turbulent flows and the mixing characteristics of STRs, and for assessing the adequacy of numerical models. RPT also was used to validate a CFD model for simulating single-phase turbulent flow. The results of this model were used as an initial condition for more complex CFD simulations of gas/liquid turbulent flow in the STRs presented in the last part of the thesis. Finally, the third part of this thesis presents the development of a multiscale gas/liquid flow model as a tool for the design and scale-up of STRs. The model was based on the compartmentalization of the STR into zones and the use of simplified less computationally intensive gas/liquid flow simulations. It predicted the mean value of the local volumetric mass transfer coefficient (kLa) in each compartment based on the local hydrodynamic parameters therein (i.e., gas hold-up and liquid turbulent energy dissipation rate). The adequacy of the model at each step was carefully assessed using experimental data drawn from the literature. The proposed model was able to predict the overall volumetric mass transfer coefficient in the STR with good adequacy. Using this model, it was shown that the contributions of each compartment to the overall mass transfer inside the STR could be changed considerably by altering the operating conditions and scale-up. It was also estimated that by increasing the STR size the overall volumetric mass transfer coefficient decreased by at least 20% following a conventional scale-up rule. The scientific novelty of the current work lies in: (a) the introduction of a new method for finding the location of the boundary between the two characteristic compartments of STRs that describes the turbulent non-homogeneities therein, (b) the systematic investigation of the effects of operating conditions and different scale-up approaches on the extent of turbu- lent non-homogeneities in STRs equipped with an RT, (c) the comprehensive experimental investigations of the turbulent fluid flows in STRs using RPT for both RT and PBT impellers, (d) the introduction of a novel method for the non-invasive measurement of mixing time in STRs based on the statistical concept of memory loss, (e) the development of a multiscale gas/liquid flow model to serve as a tool for the design and scale-up of STRs, and (f) the scrutinization of operating conditions and scale-up impacts on the local volumetric mass transfer coefficient values. The findings of this study have shed light on the hydrodynamic parameters that are important for the design and scale-up of STRs. In this regard, it is also believed that significant design improvements can be achieved by using the proposed multiscale model as it considers the actual flow field and local hydrodynamic parameters.

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Département: Département de génie chimique
Directeur de mémoire/thèse: Jamal Chaouki et François Bertrand
Date du dépôt: 16 déc. 2015 13:36
Dernière modification: 01 sept. 2017 17:32
Adresse URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/1886/

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