Experimental study and Monte Carlo modeling of object motion in a bubbling fluidized bed

Abstract

Fluidized beds are employed for a wide variety of applications such as drying, coating of particles, catalytic reactions, or thermal conversion processes. In a number of these applications, objects differing in density and/or size from the dense phase material are found in the bed. These objects can be agglomerates, catalysts or reactants. In this PhD thesis, a fundamental study of the motion of objects is presented, but considering also the main characteristics of the thermal conversion processes for these objects. Fluidized beds are used for the thermal conversion of fuels with low heating value and/or large humidity content, applications in which the high heat and mass transfer exchange provided by fluidized beds becomes relevant. In general, fuel particles of such characteristics are much larger in size than the dense phase material, and have a density that can range between the density of the dense bed to rather smaller values. In all cases, a good mixing of the fuel particles throughout the bed involves a higher efficiency in the thermal conversion process. In fluidized beds, the mixing rate in the vertical direction is higher than that in the lateral direction, as a result of the bubble motion. A proper distribution of the fuel particles in the whole bed is fundamental for an adequate development of the chemical reaction, and to avoid the formation of cold or hot spots. Therefore, the lateral mixing becomes a relevant parameter. The lateral and vertical displacement of the fuel particle and the dimensions of the reactor have to be taken into account together with the fuel particle residence time in the bed for a proper characterization. The residence time of a fuel particle during its thermal conversion can be represented either by the devolatilization time or the char conversion time. For the purposes of this thesis, the first one will be used, as it is the limiting factor in time. Also, a comparison between the time that the fuel particle remains in the freeboard, the time it remains immersed in the bed, and the devolatilization time is relevant. Finally, a significant design parameter of reactors, the location and number of feeding ports for a proper distribution of the fuel throughout the bed, depends on the capacity of the fuel particle to move laterally. In this dissertation, the main parameters that characterize the object motion in a bubbling fluidized bed are obtained experimentally and related to bed variables such as the dimensionless gas velocity. These main parameters include the time that an object spends during its motion throughout the bed, either immersed in the dense bed or in the freeboard, and the vertical and lateral displacements. The experimental characterization, analyzing the dynamics of an object in a fluidized bed, provides the information to develop a model for the object motion. The model is divided in several sub-models, taking into account the different dynamics to which the object is subjected throughout the bed. In each case, the relevant parameters of the object motion, displacement and time, are found to relate to more elemental factors with definite statistical distributions, which are obtained experimentally. The different sub-models are based on the simulations of the relations between the statistical distributions of such factors using a Monte Carlo method. The object behavior in a bubbling fluidized bed can be divided in two parts: when it is in the freeboard and when it is immersed in the dense bed. In the freeboard, a large object is only affected by the gravitational force; the drag force and the interactions with dense phase particles being negligible. Therefore, its motion can be characterized as a ballistic motion. This motion can be described by the object velocity at the instant of its ejection by the bubbles to the freeboard. Such a velocity can be characterized with statistical information of the modulus and angle, and modeled as a function of the bed operational conditions. On the other hand, the behavior of the object when it is immersed in the bed can still be divided in two different processes: a sinking process and a rising process. The sinking process is governed by the dense phase and thus the object moves according to its motion. This process can be defined by statistical parameters such as the probability of the object to attain a maximum depth or the probability of the object to start a rising process at each position during its sinking motion. In the rising process, the object is mainly affected by the bubbles, and the capacity of reaching the bed surface directly depends on its attachment to the bubbles. This behavior can be characterized by a parameter that represents the probability of an object to reach the surface directly when it starts a rising path and its opposite, the probability of detaching from the bubble and restart a sinking path before reaching the bed surface. As a result, the motion of the object either when it is in the freeboard or immersed in the dense bed can be described by the statistical parameters obtained experimentally, and models based on Monte Carlo simulations of such parameters can be derived. Finally, the combination of the different sub-models of the object motion throughout the bed permits to describe the global behavior of an object in a large-scale bubbling fluidized bed. A global model based on Monte Carlo simulations of the elemental parameters obtained experimentally is developed, based on the elemental statistical parameters of the object motion. The relevant parameters that describe the behavior of a fuel particle, the lateral and vertical displacement or the time spent during its motion throughout the bed, are determined using the model, and validated with experiments reported in the literature. ---------------------------------------------------------------------------------

Los lechos fludizados se emplean en una gran variedad de aplicaciones, tales como secado, recubrimiento de partículas, reacciones catalíticas o procesos de conversión térmica. En gran parte de estas aplicaciones, se pueden encontrar en el lecho objetos con tamaño diferente al del material de la fase densa. Estos objetos pueden ser aglomerados, catalizadores o reactivos. En esta tesis doctoral se presenta un estudio fundamental del movimiento de dichos objetos, teniendo en especial consideración las principales características de los procesos de conversión térmica en los que estos objetos pueden intervenir. Los lechos fluidizados se usan habitualmente para la conversión térmica de combustibles con bajo poder calorífico y/o con alto contenido en humedad, aplicación en la cual el elevado intercambio de calor y de masa proporcionado por los lechos fluidizados resulta relevante. En general, las partículas de combustible son mucho mayores en tamaño que el material del lecho y tienen una densidad que varía entre la densidad del propio lecho y valores bastante menores. En todos los casos, un buen mezclado de las partículas de combustible en el lecho implica una mayor eficiencia en los procesos de conversión térmica. En los lechos fluidizados el mezclado en la dirección vertical es mayor que en la dirección lateral a consecuencia del movimiento de las burbujas. Una distribución correcta de las partículas de combustible por todo el lecho es fundamental para un desarrollo adecuado de la reacción química y para evitar la formación de zonas frías y calientes. Por tanto, el mezclado lateral se convierte en un parámetro de gran importancia. Tanto el desplazamiento lateral y vertical del combustible como las dimensiones del reactor han de ser tenidos en cuenta, junto con el tiempo de residencia en el lecho de las partículas de combustible, para una correcta caracterización de su funcionamiento. El tiempo de conversión de una partícula de combustible puede ser representado tanto por el tiempo de devolatilización como por el tiempo de conversión del char. En línea con el objetivo de la tesis, se usará el primero, ya que es el factor limitante en tiempo. Finalmente, la localización y el número de alimentadores de combustible necesarios para una correcta distribución del combustible en todo el lecho, parámetro significativo en el diseño de reactores, depende fundamentalmente de la capacidad de las partículas de combustible para moverse lateralmente. En esta tesis se obtienen experimentalmente los principales parámetros que caracterizan el movimiento de un objeto en un lecho fluidizado burbujeante, relacionándolos con variables características del lecho, como la relación entre la velocidad del gas y la velocidad de mínima fluidización. Estos parámetros principales, son por un lado, el tiempo que el objeto invierte durante su movimiento a través del lecho y, por otro lado, su desplazamiento vertical y lateral, ambos identificados de forma separada tanto en el interior del lecho como en la superficie libre. La caracterización experimental de la dinámica de un objeto en un lecho fluidizado y de los factores relevantes permite desarrollar un modelo del movimiento del objeto. El modelo se dividirá en varios submodelos que expliquen las diferentes dinámicas que sigue el objeto a través del lecho. En cada caso, se obtendrán los parámetros relevantes del movimiento del objeto, desplazamiento y tiempo, relacionándolos con factores más elementales cuyas distribuciones estadísticas puedan ser obtenidas experimentalmente. Los diferentes submodelos se basan en simulaciones de las relaciones entre las distribuciones estadísticas de dichos factores, usando para ello el método de Monte Carlo. Para su estudio y modelado, el movimiento de un objeto en un lecho fluidizado burbujeante puede dividirse en dos partes: cuando está en la superficie libre y cuando está inmerso en el lecho. En la superficie libre, en comparación con la fase densa, un objeto grande se ve afectado únicamente por la fuerza gravitacional, ya que la fuerza de arrastre del gas y la interacción con partículas de fase densa resultan despreciables. Por lo tanto, su movimiento será un movimiento balístico. Este movimiento queda descrito por la velocidad del objeto en el instante de su eyección a la superficie libre por parte de las burbujas. Dicha velocidad puede ser caracterizada con información estadística de su módulo y ángulo, y modelada en función de los parámetros del lecho. Por otro lado, el comportamiento del objeto cuando se encuentra inmerso en el lecho puede separarse también en dos procesos de características muy diferentes: un proceso de subida y un proceso de bajada. El proceso de bajada está gobernado por la interacción con la fase densa, moviéndose por tanto el objeto solidariamente a ésta. Su comportamiento durante ese proceso puede definirse mediante parámetros estadísticos como la probabilidad del objeto de alcanzar diferentes profundidades máximas o la probabilidad de que el objeto comience un proceso de subida a partir de una determinada posición durante su movimiento de bajada. En el proceso de subida, el objeto se ve afectado principalmente por las burbujas y su capacidad de elevarse directamente hasta la superficie del lecho depende del acoplamiento con éstas. Su comportamiento durante ese proceso puede ser caracterizado por un parámetro que represente la probabilidad de un objeto de alcanzar directamente la superficie del lecho cuando empieza un proceso de subida o, a la inversa, la probabilidad que tiene el objeto de desacoplarse de la burbuja y empezar un nuevo proceso de bajada antes de alcanzar la superficie del lecho. Como resultado, el movimiento del objeto tanto cuando está en la superficie libre como cuando se encuentra inmerso en el lecho se puede describir mediante parámetros estadísticos obtenidos experimentalmente, y modelar mediante el uso de simulaciones de Monte Carlo. Finalmente, la combinación de los diferentes submodelos del movimiento del objeto a través del lecho permite describir el comportamiento global de un objeto en un lecho fluidizado burbujeante de escala industrial. Se ha desarrollado un modelo global basado en simulaciones de Monte Carlo de los parámetros elementales, empleando para ello los parámetros estadísticos representativos del movimiento del objeto, obtenidos experimentalmente. El modelo desarrollado permite obtener los parámetros relevantes que describen el comportamiento de una partícula de combustible; los desplazamientos lateral y vertical y el tiempo invertido en su movimiento a través del lecho. Los parámetros obtenidos son validados usando resultados experimentales disponibles en la literatura.