Gas maldistribution in fluidized beds

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dc.contributor.advisor Santana Santana, Domingo José
dc.contributor.advisor Villa Briongos, Javier
dc.contributor.author Sánchez Prieto, Javier
dc.date.accessioned 2015-09-18T09:43:33Z
dc.date.available 2015-09-18T09:43:33Z
dc.date.issued 2015-03
dc.date.submitted 2015-04-24
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/21579
dc.description.abstract Gas maldistribution is one of the most common problems in large-scale fluidized beds. High superficial gas velocities should be used to create a high pressure drop across the distributor plate to achieve an even gas distribution within the bed. However, higher pressure drop leads to higher power consumption in blowers, which means higher operational costs. In addition, the superficial gas velocity in large-scale reactors is seldom constant. As long as gas velocity perturbations lead to pressure drop variations, it is important to maintain the distributor pressure drop as low as possible. Maldistribution depends on the superficial gas velocity, the type of solids used as bed material and the distributor plate design. Low values of superficial gas velocity are more prone to generate gas maldistribution and therefore, several authors recommend operating beyond a critical value of gas velocity, at which all distributor plate orifices or tuyeres are considered active. The type of solids used as bed material determines the tendency of the bed to agglomerate. Since agglomeration could lead to maldistribution and defluidization, it is important to select the bed material properly. The distributor design affects mainly to the pressure drop, which is also dependent of other variables such the superficial gas velocity, the number of orifices and its diameter, the distributor plate thickness, the temperature. . . Pressure measurements and visual inspection of the bed surface are robust techniques commonly used in fluidized bed reactors for monitoring purposes. Therefore, these techniques were employed in this thesis to study maldistribution. Visual inspection technique was employed in a 3D cylindrical bubbling fluidized bed to detect maldistribution in the bed surface. To create a controlled induced maldistribution, the half of the distributor plate cross-section was covered. It was found that a high superficial gas velocity could overcome maldistribution at the bed surface, even though the maldistribution problem could still prevail at the bottom of the bed. According to that, pressure fluctuations measurements were investigated as a detection method for maldistribution. Several monitoring methods based on the pressure signal analysis were studied to evaluate the boundary of maldistribution grade that can be detected. The effect of the pressure probe location was also investigated and it was concluded that pressure probes should be located at 50-75% of the bed height for maldistribution detection purposes. A single pressure probe could be suficient to detect maldistribution in a lab-scale fluidized bed; however, several pressure probes should be placed in a large-scale fluidized bed reactor to cover all the bed cross-section. Visual inspection technique was also employed to develop a model for estimating the size of the stagnant zones created by covered parts of the distributor plate. A correlation was obtained using Digital Image Analysis and Particle Image Velocimetry of pictures taken in a pseudo-2D fluidized bed. The proposed correlation, coupled with correlations from the literature, was extrapolated to a 3D facility. The model was found to predict the size of the stagnant zones in a 3D fluidized bed with a maximum relative error of 20% and it could be used to estimate the size of the distributor cross-section affected by maldistribution. The distributor plate performance under operational conditions was also investigated. The effect of temperature on the distributor pressure drop was studied for two different distributor plates (i.e. multiorifice and tuyere type) in a Biomass Bubbling Fluidized Bed Gasifier. The results were employed to develop a methodology to design gas distributor plates at elevated temperature. The model predicts accurately the minimum distributor open area needed to satisfy a distributor to bed pressure drop ratio for a given temperature and operation conditions.
dc.description.abstract Uno de los problemas más comunes de los lechos fluidizados industriales es la mala distribución del gas en el lecho. Se deben emplear elevadas velocidades de gas para generar grandes pérdidas de carga en el distribuidor que garanticen la distribución uniforme del gas en el interior del lecho. Sin embargo, una elevada pérdida de carga en el distribuidor supone también un aumento en la potencia consumida por los elementos de impulsión del gas, que se traducen en un aumento de los costes de operación. Además, en los reactores industriales de lecho fluidizado la velocidad del gas es raramente constante. Dado que las perturbaciones en el flujo de gas generan a su vez perturbaciones en la pérdida de carga del distribuidor, es importante conseguir que esta pérdida de carga sea lo más baja posible. La mala distribución del gas depende de la velocidad superficial del gas, del tipo de sólido empleado como material inerte y de varios aspectos del diseño del distribuidor. Si se emplean velocidades de gas demasiado bajas, el gas es más propenso a la mala distribución, y por ello varios autores recomiendan operar por encima de un valor crítico de velocidad por encima del cual todos los orificios o campanas del distribuidor se consideran activos. El tipo de sólido empleado como material inerte determina la tendencia del lecho a la aglomeración. Es importante seleccionar un material adecuado puesto que la aglomeración del lecho puede conducir a la mala distribución del gas e incluso a la defluidización. El diseño del distribuidor afecta principalmente al valor de la pérdida de carga, que a su vez depende de otros factores como son la velocidad del gas, el número de orificios y su tamaño, el espesor de la placa distribuidora, la temperatura... Tanto las medidas de presión como el análisis visual de la superficie del lecho son técnicas de medida robustas que se utilizan comúnmente en la monitorización de reactores de lecho fluidizado. Por lo tanto, estas técnicas se han empleado en esta tesis para el estudio de la mala distribución del gas en el lecho. El análisis visual se utilizó en un lecho fluidizado cilíndrico (3D) para la detección de la mala distribución del gas en la superficie del lecho. Para conseguir un estado de mala distribución inducida se tapó la mitad de los orificios de la placa distribuidora. Se observó que, aunque una velocidad de gas elevada puede hacer que la mala distribución no se detecte en la superficie, el problema persiste en la zona baja del lecho. De acuerdo con este hecho, se investigó el uso de las medidas de fluctuaciones de presión en el interior del lecho como herramienta para la detección de la mala distribución del gas. Se emplearon varios métodos de monitorización basados en el análisis de las fluctuaciones de presión para establecer el umbral de grado de mala distribución que puede ser detectado. También se investigó el efecto de la localización de las sondas de presión y se concluyó que deben ser colocadas a una altura entre el 50 y el 75% de la altura total del lecho si el objetivo es detectar la mala distribución del gas. Una única sonda puede ser suficiente para la detección en un lecho de escala de laboratorio, sin embargo, se deberían emplear varias sondas en lechos industriales para poder cubrir la medida en toda la sección del lecho. El análisis visual se utilizó también para el desarrollo de un modelo capaz de estimar el tamaño de las zonas muertas generadas por el bloqueo de una parte de los orificios del distribuidor. Se obtuvo una correlación a partir del análisis digital de imagen y la velocimetría de partículas de imágenes tomadas en un lecho fluidizado bidimensional (2D). La correlación propuesta, junto a otras correlaciones de la literatura, se utilizó para extrapolar datos a un lecho 3D. Se observó que el modelo es capaz de predecir el tamaño de las zonas muertas en un lecho 3D con un error máximo del 20%, y puede además emplearse para estimar el tamaño de la sección afectada del distribuidor. Se estudió el efecto de la temperatura de operación en la pérdida de carga del distribuidor para dos tipos distintos de distribuidores (placa perforada y campanas) en una planta piloto de gasificación de biomasa en lecho fluidizado. Los resultados obtenidos se utilizaron en el desarrollo de una metodología para el diseño de distribuidores a alta temperatura. El modelo propuesto predice la mínima área de orificios necesaria para cumplir una relación dada de pérdida de carga entre el distribuidor y el lecho, y para una temperatura y condiciones de operación fijadas.
dc.description.sponsorship The author deeply appreciates the funding support by the Spanish Government (Project DPI2009-10518) and the Autonomous Community of Madrid (Project S2009/ENE-1660),
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Fluidized beds
dc.subject.other Gas maldistribution
dc.title Gas maldistribution in fluidized beds
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Ingeniería Industrial
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial
dc.relation.projectID Comunidad de Madrid. S2009/ENE-1660/CARDENER-CM
dc.relation.projectID Gobierno de España. DPI2009-10518
dc.description.responsability Presidente: Bo Leckner.- Secretario: Celia Sobrino Fernández.- Vocal: José Antonio Almendros Ibáñez
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos
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