Ontwerp en optimalisatie van een wervelreactor voor menging van vaste stof-vloeistof mengsels

Deze dissertatie biedt een diepgaande studie van de Swirling Flow Reactor (SFR), een veelbelovende technologie voor het mengen van vaste stoffen en vloeistoffen. Vaste stof-vloeistof menging wordt vaak toegepast in de chemische industrie om vaste stoffen in suspensie te houden voor onder andere kristallisatie, adsorptie, heterogene katalyse, enz. De meest gebruikte technologie om een goede mate van menging te verkrijgen, is de mechanisch geroerde tankreactor. Deze technologie is echter beperkt tot kleine reactorvolumes in het geval van processen met hoge druk/temperatuur vanwege afdichtingsproblemen. De SFR is gebaseerd op de principes van een Coanda jet en centrale deeltjes-recirculatie. Het onderzoek, uitgevoerd via Computational Fluid Dynamics simulaties, gaat in op verschillende aspecten van het SFR-ontwerp, de werking en de prestaties ervan. Deze samenvatting vat de belangrijkste bevindingen van de scriptie samen en schetst toekomstige onderzoeksrichtingen.

Aanvankelijk werd gekeken naar de ontwerp- en de operationele werking van de SFR, waarbij de rol van de Coanda jet en de deeltjesrecirculatie bij het verbeteren van de vaste stof-vloeistofmenging werd benadrukt. Door simulaties met behulp van het Eulerian-Eulerian multifaze model en een realizable k-e turbulentiemodel, werd de invloed van specifieke geometrische parameters op de prestaties van de reactor bestudeerd. De vorming van een stabiele Coanda jet, het ontbreken van massale sedimentatie van deeltjes en axiale deeltjesrecirculatie werden geïdentificeerd als belangrijke indicatoren voor een succesvolle werking van de SFR. Het onderzoek bevestigde ook de noodzaak van een annulair filter/uitlaatontwerp om de vorming van de Coanda jet te vergemakkelijken en de neerwaartse stroming in het midden van de reactor te bevorderen. Deze studie biedt waardevolle inzichten in het ontwerp en de werking van de SFR, en geeft richting aan toekomstige ontwerpen en optimalisatie ervan.

Op basis van de eerdere bevindingen werd een specifieke geometrie geselecteerd voor een gedetailleerde analyse, gebaseerd op ontwerpparameters die cruciaal zijn voor optimale vaste stof-vloeistof menging. De gekozen SFR, gekarakteriseerd door een Reynoldsgetal Re = 130.000 en wervelgetal Sw*=1.7, vertoonde een goede mengprestatie door een homogeniteit van H=0.945 te bereiken. De werking van de SFR werd gekenmerkt door de vorming van een Coanda jet (CoJF), die zich ontwikkelde tot een opwaartse spiraalvormige stroming langs de reactorwand. Het onderzoek identificeerde ook de significante rol van de Precessing Vortex Core (PVC) bij het genereren van sterke fluctuaties en het bevorderen van snelle deeltjesverspreiding.

Op basis van deze nieuwe inzichten stelde dit werk een verbeterd SFR-ontwerp voor met een draft tube. De verbeterde SFR vertoonde een superieure mengprestatie, met een homogeniteit van 0.991. De extra draft tube scheidde succesvol de recirculatiezones binnen de reactor en verbeterde de deeltjesverdeling en verminderde de gemiddelde snelheidsfluctuaties binnen de reactor. Desalniettemin stuurde de draft tube de meeste deeltjes terug naar de nozzle, waar significante snelheidsfluctuaties en turbulentie een intensieve vaste stof-vloeistofmenging bevorderden. Het onderzoek benadrukte de rol van de extra draft tube en de PVC bij deze verbeterde menging.

Dit baanbrekende onderzoek naar de SFR draagt bij aan het begrip van het ontwerp, de werking en de mengprestaties ervan. Hoewel het onderzoek zich nog in een vroeg stadium bevindt, benadrukt het de potentie van de SFR als een effectieve technologie voor vaste-vloeistofmenging voor een breed scala aan toepassingen. De inzichten die uit dit onderzoek zijn verkregen, dienen als waardevolle informatiebron voor verdere ontwikkeling, optimalisatie en industriële toepassing van de SFR. De toekomst van de SFR hangt echter af van voortdurende verbetering, industriële validatie en een dieper begrip van operationele omstandigheden en ontwerpoverwegingen.