Cold flow studies in a stationary gas solid fluidized bed

Abstract

Diese Arbeit wurde im Rahmen eines Projekts durchgeführt, das sich mit der Umwandlung von cellulosehältigen Materialien zu Alkoholen beschäftigt. Sie wurde an der University of California, San Diego durchgeführt und von dem UC Discovery grant sowie West Biofuels LCC finanziert. Der erste Schritt des Prozesses ist die thermo-chemische Konversion der cellulosehältigen Ausgangsstoffe in ein Produktgas (Holzgas), das hauptsächlich aus aus CO, H2, CO2, and CH4 besteht.<br />Dieser Vergasungsschritt wird in einem zirkulierenden Wirbelschichtvergaser durchgeführt. Für das Design und Scale-up von zirkulierenden Wirbelschichten wurden verschiedene Ansätze verwendet. Im Rahmen dieses Projekts wird numerische Strömungssimulation (computational fluid dynamics, CFD) verwendet. Das Ziel diesere Arbeit ist es, experimentelle Daten bereitzustellen, die für die Validierung von CFD Simulationen sowie für das Fitten von Modellkonstanten dienen. Zu diesem Zweck werden die granulare Temperatur und Druckschwankungen in einer stationären Wirbelschicht gemessen.<br />Außerdem dient diese Arbeit dazu, Messtechniken zu testen und zu etablieren, die in späteren Stufen des Design und Scale-up Prozesses eines kommerziellen Wirbelschichtvergasers Anwendung finden werden. Beim derzeitigen Entwicklungsstand sind CFD Simulationen alleine nicht ausreichend um einen kommerziellen Wirbelschichtvergaser auszulegen.<br />Experimente verschiedener Komplexität sind für die Validierung der Simulationen nötig. Als erster Schritt wurde ein einfaches stationäres Kaltmodell einer Wirbelschicht konstruiert.<br />Auf diesem Modell wurden Experimente mit verschiedenen Geldart B Partikeln durchgeführt. Die Daten, die mit einer Klasse von monodispersen Partikeln erhalten wurden, dienen zum Vergleich mit CFD Simulationen. Im speziellen wurde die granulare Temperatur gemessen. Die granulare Temperatur ist ein Maß für die mittlere Partikelfluktuationsgescwindigkeit und ein wichtiger Parameter bei der Modellierung von Wirbelschichten. Um die granulare Temperatur zu messen wurden die Wandschwingungen, die durch Partikelstöße verursacht werden analysiert. Die verwendete Technik ist die Acoustic shot noise (ASN) probe, die von G Cody und Mitarbeitern entwickelt wurde.<br />Zusätzlich wurden Druckschwankungen an verschiedenen vertikalen Positionen des Betts gemessen und analysiert. Diese Daten werden verwendet um numerische Parameter des CFD Modells zu bestimmen. Die üblichen Messungen von Druckverlust und Lockerungsgeschwindigkeit wurden durchgeführt und die Resultate mit bekannten Korellationen verglichen.<br />

This work was accomplished within a cellulosic biomass to alcohols project funded by the UC Discovery grant and West Biofuels LCC at the University of California, San Diego. The first step of this biomass to liquid process is the thermo-chemical conversion of the cellulosic feedstock into a producer gas, consisting mainly of CO, H2, CO2, and CH4. This gasification step is carried out in a circulating fluidized bed gasifier. In order to design and scale fluidized beds different approaches have been applied. In this project computational fluid dynamics (CFD) is adopted.<br />The goal of this work was to supply experimental data for validation and data fitting of CFD simulations. For that purpose the granular temperature and pressure fluctuations in a stationary fluidized bed were measured. Moreover this work serves to test and establish measurement techniques that will find application in later stages of the scale- and design-process of a commercial fluidized bed gasifier.<br />At this point in the development CFD simulations alone are not sufficient in the design- and scale- process of commercial fluidized bed reactors. Experiments of different complexity are necessary to validate the simulations. As a starting point a simple stationary cold flow model of a fluidized bed was constructed. On this setup experiments were conducted with different Geldart B particles. Data obtained with one class of monodisperse particles was adopted for comparison with CFD simulations. In particular the granular temperature was measured by analysing the vibrations of the wall caused by random particle impacts. The technique employed is the Acoustic shot noise (ASN) probe, developed by G Cody and co-workers. The granular temperature is a measure for the average particle velocity fluctuations and a crucial parameter to model fluidized beds.<br />Besides the granular temperature pressure fluctuations at different vertical positions of the bed were measured, analysed and used to fit parameters of the CFD model. Moreover the pressure drop of the bed and the minimum fluidization velocity were determined and compared with well established correlations.<br />