Master's Thesis

Calcination model developement for ANSYS Fluent

Main document 2.7 MB Appendix 201.06 kB

FSIMaster's ThesisStudent: Ing. Milan AnderleAcad. year: 2017/2018

Leader: Ing. Jiří Vondál, Ph.D.

Opponent: doc. Ing. Jiří Hájek, Ph.D.

The aim of the diploma thesis was creating a decarbonisation model of lime, implementation the model into CFD tool ANSYS Fluent and to test the decarbonisation model in a model of a real reactor. The required model was based on assumptions for a Shrinking Core Model (SCM). The main objective of this work was the non-catalytic conversion of substances and the search for the most used mathematical models for calcination. The CFD calculation, the sensitivity analysis and the Fluente parametric study were used. Data on the composition of gas flow, temperature, pressure and mass flow of limestone particles were selected for input variables. The particle model called Multiple Surface Reactions (MSR), which is a standard part of Fluent, was used at first. Subsequently, a UDF which was based on the SCM assumptions was written in the programming language C. The results of the CFD calculation were compared with the experimental values from the dissertation. It has been found that the MSR is sufficiently precise for calculation purposes but neglects the internal diffusion of CO2 through the CaO layer which forms behind the reaction front during calcination. It was found that it is possible to solve the flow with ongoing calcination without the need to know the parameters of the Arrhenian equation if the UDF is used. The created UDF incorporates the influence of intraparticular CO2 diffusion on the overall reaction rate.

Language

Czech

State

Defended (thesis was successfully defended)

Hodnocení známka

B

Faculty

Department

Study branch

Process Engineering

Classification by leader
Ing. Jiří Vondál, Ph.D.

Student po celou dobu pracoval velmi samostatně především v oblasti práce s literaturou a přípravě rešerše. Vlastními silami se mu podařilo zvládnout komplikovanou oblast proudění s chemickými reakcemi a provést identifikaci a adekvátní nastavení dostupných modelů vhodných pro řešení kalcinace. Při přípravě práce bylo hlavním problémem nezvládnutí časového harmonogramu, což se projevilo na značném zpoždění. Nejvíce utrpěla část s vytvořením vlastního modelu kalcinace pro ANSYS Fluent, jež by zohledňoval více fyzikálních a chemických vlivů na rychlost kalcinace. I přes to, že proběhly přípravné práce a konzultace na toto téma, tak v práci tato část úplně chybí.

final grade: C

Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment D
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic B

Classification by opponent
doc. Ing. Jiří Hájek, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá výpočtovým modelováním kalcinace v komerčním programu ANSYS Fluent. Je nutno podotknout, že tento program neobsahuje sub-model určený přímo pro modelování tepelného rozkladu vápence, takže úkol stanovený v názvu práce je smysluplný a také poměrně ambiciózní.
Vývoj modelu kalcinace je v práci podložen stručnou rešerší dříve použitých přístupů jiných autorů, která trochu postrádá kritický nadhled, ale poskytuje představu o možných metodách popisu. Vlastní vývoj modelu je nicméně reprezentován nalezením konkrétního sub-modelu pro povrchově reagující částice (MSR) z nabídky nástrojů použitého výpočtového programu a vložením empirických kinetických parametrů jednokrokového mechanismu kalcinace. Diplomant zmiňuje pokus o doplnění modelu o jisté nestandardní parametry pomocí uživatelské funkce, avšak z prezentace výsledků není patrné, zda byla využita, respektive jaký byl její přínos.
Zhodnocení výsledků simulací je podepřeno na první pohled cenným srovnáním s naměřenými daty. Avšak po bližším prozkoumání lze konstatovat, že hodnocení výsledků je provedeno spíše formálně, bez hlubšího věcného posouzení aplikovaného modelu. Použitý model je poměrně hrubou aproximací a diplomová práce poskytuje dílčí informace, využitelné pro vyhodnocení jeho možného praktického nasazení. Úplné vymezení schopností použitého modelu tak zůstává i po přečtení práce otevřenou otázkou.
Zpracování textu je na dobré formální úrovni s nízkou frekvencí překlepů a nepřesností. Náročnost práce odpovídá průměru. Konstatuji, že autor splnil stanovené cíle. Navzdory uvedeným připomínkám proto mohu práci doporučit k obhajobě.

final grade: C

Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality D
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A

Literature

MIKULČIC, Hrvoje, BERG Eberhard von, VUJANOVIC Milan, PRIESCHING Peter, PERKOVIC Luka, TASCHL Reinhard, a DUIC Neven. Numerical modelling of calcination reaction mechanism for cement production. Chemical Engineering Science 69 (1): 607–15. 2012. doi:10.1016/j.ces.2011.11.024.
MIKULČIC, Hrvoje, BERG Eberhard von, VUJANOVIC Milan, PRIESCHING Peter, PERKOVIC Luka, TASCHL Reinhard, a DUIC Neven. Numerical Analysis of Cement Calciner Fuel Efficiency and Pollutant Emissions. Clean Technologies and Environmental Policy 15 (3): 489–99. 2013. doi:10.1007/s10098-013-0607-5.
MIKULČIC, Hrvoje, VUJANOVIC Milan a DUIC Neven 2014. Improving the sustainability of cement production by using numerical simulation of limestone thermal degradation and pulverized coal combustion in a cement calciner. Journal of Cleaner Production. (2014) 1-10. doi:10.1016/j.jclepro.2014.04.011.
ANSYS, Release 17.2. 2015. „Help System, Users’s Guide". ANSYS, Inc.

Keywords

Calcination, decarbonation of lime, Computational Fluid Dynamics, CFD