Simulation of industrial droplet separators

Abstract

Tröpfchenabscheider werden in vielen chemischen Prozessen eingesetzt. Sie können in unterschiedlichen Bauformen ausgeführt werden, wobei die für ihre Funktionsweise relevante physikalische Phänomene auch diskrepant sein können. Die richtige Konstruktion und der korrekte Betrieb dieser Komponenten spielen eine entscheidende Rolle für die Effizienz des gesamten Prozesses. Die zuverlässige Funktionalität unter allen Betriebsbedingungen ist daher von immenser Bedeutung. Die Untersuchung der Strömungsverhältnisse in einem Tröpfchenabscheider erfolgt in der Praxis häufig durch numerische Strömungssimulationen. Die Berechnungen werden als stationäre Simulationen mithilfe von ANSYS® FLUENT®. Das Strömungsfeld wird in Euler’schen betrachtungsweise vorhergesagt, wobei der Wasserdampf als kontinuierliche Phase angenommen wird. Die Wassertröpfchen werden in Lagrange’schen Betrachtungsweise mit Hilfe des Discrete-Particle-Modells eingeleitet. Die Wasserabscheidung an den Wänden wird durch die Kopplung des Discrete-Particle-Modells mit dem Eulerschen Wandfilmmodell realisiert. Als Turbulenzmodell wird k-ω eingesetzt. Drei industrierelevante Zyklonabscheidergeometrien werden untersucht. Die internen Abmessungen von solchen Tröpfchenabscheidern können mehrere Meter betragen. Dies stellt eine Herausforderung dar, da eine ausreichende Meshauflösung erforderlich ist. Die Mesherstellung mit ANSYS® FLUENT® erfordert signifikante Rechenressourcen mit der Möglichkeit einer grafischen Benutzeroberfläche. Die numerischen Simulationen sowie das Pre- und Post-Processing werden auf dem Vienna Scientific Cluster durchgeführt. Die berechneten Strömungsfelder werden analysiert und die Effizienz der untersuchten Bauformen wird unter Berücksichtigung variierender Tröpfchengesamtmasse und Tröpfchendurchmesserverteilungen evaluiert und gegenübergestellt.

Many chemical processes utilise droplet separators. Droplet separators can be constructed in several ways, utilising different physical phenomena. Correct design and operation of these components play a vital role in the overall process efficiency. Their reliable functionality under all operating conditions is therefore of immense importance. A common way to investigate the flow conditions inside droplet separators is the use of computational fluid dynamic simulations. The steady-state simulations are performed using ANSYS® FLUENT®. The water-vapour flow field is predicted as a continuous phase in the Eulerian reference frame and water droplets are injected utilising the Lagrangian reference frame in the form of the discrete particle model. Water separation on the walls is realised via the coupling of the discrete particle model with the Eulerian wall film model. Turbulence is solved using the k-ω SST turbulence model. Three industrial cyclone separator geometries are investigated. The internal length scales of industrial droplet separators can reach several meters. This poses a challenge due to the necessity of sufficient mesh resolution to resolve the water droplet adherence in the entire geometry. The meshing process in ANSYS® FLUENT® requires significant computational resources with the need for a graphical interface. The numerical simulations as well as pre- and post-processing were performed on the Vienna Scientific Cluster. The computed flow fields are analysed and the efficiency of the investigated separator geometries is evaluated and compared considering varying total droplet mass and droplet diameter distributions.