diplomová práce

Vývoj modelu kalcinace pro ANSYS Fluent

Hlavní dokument 2.7 MB Příloha 201.06 kB

FSIdiplomová práceStudent: Ing. Milan AnderleAk. rok: 2017/2018

Vedoucí: Ing. Jiří Vondál, Ph.D.

Oponent: doc. Ing. Jiří Hájek, Ph.D.

Cieľom diplomovej práce bolo vytvoriť model dekarbonizácie vápenca, implementovať ho do CFD nástroja ANSYS Fluent a otestovať na modeli skutočného reaktoru. Žiadaný model vychádzal z predpokladov pre Shrinking Core Model (SCM). Dielčím cieľom práce bolo spísať rešerš z oblasti nekatalytickej premeny látok a rešerš najpoužívanejších matematických modelov pre kalcináciu. Bol použitý výpočet v CFD, vykonaná citlivostná analýza a parametrická štúdia vo Fluente. Za vstupné veličiny boli zvolené údaje o zložení prúdu plynu, teplote, tlaku a hmotnostnom prietoku častíc vápenca. Najprv bol použitý časticový model s názvom Multiple Surface Reactions (MSR), ktorý je štandardnou súčasťou Fluentu. Následne bola napísaná vlastná UDF v programovacom jazyku C, ktorá vychádzala z predpokladov SCM. Výsledky z CFD výpočtu boli porovnané s experimentálnymi hodnotami z dizertačnej práce. Bolo zistené, že MSR je dostatočne presný pre potreby výpočtu, ale zanedbáva vnútro časticovú difúziu CO2 naprieč vrstvou CaO, ktorá pri kalcinácii vzniká za čelom reakcie. S použitím vytvorenej UDF je možné riešiť prúdenie s prebiehajúcou kalcináciou bez nutnosti poznania parametrov Arrheniovej rovnice. Vytvorená UDF zároveň berie do úvahy vplyv vnútro časticovej difúzie CO2 na rýchlosť reakcie.

Jazyk

čeština

Stav

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

Hodnocení známka

B

Fakulta

Ústav

Obor studia

Procesní inženýrství (M-PRI)

Hodnocení vedoucího
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.

výsledná známka: C

Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání D
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Hodnocení oponenta
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.

výsledná známka: C

Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita D
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A

Cíle, kterých má být dosaženo

• vytvoření modelu dekarbonizace vápence při výrobě cementu použitelného pro výpočet proudění v programu Fluent,
• získání přehledu o existujících modelech,
• tvorba vybraného modelu a jeho implementace do programu ANSYS Fluent,
• ověření výsledku v CFD výpočtu.

Literatura

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.

Klíčová slova

Kalcinácia, dekarbonizácia vápenca, výpočtová dynamika prúdenia, CFD

Charakteristika problematiky úkolu

Výroba cementu je zodpovědná za produkci cca 5 % světových CO2 emisí. Jakékoliv zlepšení v procesu výroby cementu má velký potenciál pro snižování energetické náročnosti a snižování emisí produkovaných při výrobě cementu. Pro návrh nových vylepšení se standardně využívají CFD simulace pro které je však potřeba vyzkoušet a ověřit funkčnost modelu pro proces kalcinace v kalcinačním kanálu.