RT Dissertation/Thesis
T1 Experimental study and Monte Carlo modeling of object motion in a bubbling fluidized bed
A1 García Gutiérrez, Luis Miguel
AB Fluidized beds are employed for a wide variety of applications such as drying,coating of particles, catalytic reactions, or thermal conversion processes. In anumber of these applications, objects differing in density and/or size from thedense 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 ofobjects is presented, but considering also the main characteristics of the thermalconversion processes for these objects.Fluidized beds are used for the thermal conversion of fuels with low heatingvalue and/or large humidity content, applications in which the high heat andmass transfer exchange provided by fluidized beds becomes relevant. In general,fuel particles of such characteristics are much larger in size than the densephase material, and have a density that can range between the density of thedense bed to rather smaller values. In all cases, a good mixing of the fuel particlesthroughout the bed involves a higher efficiency in the thermal conversionprocess.In fluidized beds, the mixing rate in the vertical direction is higher thanthat in the lateral direction, as a result of the bubble motion. A proper distributionof the fuel particles in the whole bed is fundamental for an adequatedevelopment of the chemical reaction, and to avoid the formation of cold or hotspots. Therefore, the lateral mixing becomes a relevant parameter.The lateral and vertical displacement of the fuel particle and the dimensionsof the reactor have to be taken into account together with the fuel particleresidence time in the bed for a proper characterization. The residence timeof a fuel particle during its thermal conversion can be represented either bythe devolatilization time or the char conversion time. For the purposes of thisthesis, the first one will be used, as it is the limiting factor in time. Also, acomparison between the time that the fuel particle remains in the freeboard, thetime it remains immersed in the bed, and the devolatilization time is relevant.Finally, a significant design parameter of reactors, the location and number offeeding ports for a proper distribution of the fuel throughout the bed, dependson the capacity of the fuel particle to move laterally.In this dissertation, the main parameters that characterize the object motionin a bubbling fluidized bed are obtained experimentally and related to bed variables such as the dimensionless gas velocity. These main parameters includethe time that an object spends during its motion throughout the bed, eitherimmersed in the dense bed or in the freeboard, and the vertical and lateraldisplacements. The experimental characterization, analyzing the dynamics ofan object in a fluidized bed, provides the information to develop a model forthe object motion. The model is divided in several sub-models, taking intoaccount the different dynamics to which the object is subjected throughout thebed. In each case, the relevant parameters of the object motion, displacementand time, are found to relate to more elemental factors with definite statisticaldistributions, which are obtained experimentally. The different sub-models arebased on the simulations of the relations between the statistical distributionsof 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. Inthe freeboard, a large object is only affected by the gravitational force; thedrag force and the interactions with dense phase particles being negligible.Therefore, its motion can be characterized as a ballistic motion. This motioncan be described by the object velocity at the instant of its ejection by thebubbles to the freeboard. Such a velocity can be characterized with statisticalinformation of the modulus and angle, and modeled as a function of the bedoperational conditions. On the other hand, the behavior of the object whenit is immersed in the bed can still be divided in two different processes: asinking process and a rising process. The sinking process is governed by thedense phase and thus the object moves according to its motion. This processcan be defined by statistical parameters such as the probability of the objectto attain a maximum depth or the probability of the object to start a risingprocess at each position during its sinking motion. In the rising process, theobject is mainly affected by the bubbles, and the capacity of reaching the bedsurface directly depends on its attachment to the bubbles. This behavior canbe characterized by a parameter that represents the probability of an objectto reach the surface directly when it starts a rising path and its opposite, theprobability of detaching from the bubble and restart a sinking path beforereaching the bed surface. As a result, the motion of the object either whenit is in the freeboard or immersed in the dense bed can be described by thestatistical parameters obtained experimentally, and models based on MonteCarlo 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 ina large-scale bubbling fluidized bed. A global model based on Monte Carlosimulations of the elemental parameters obtained experimentally is developed,based on the elemental statistical parameters of the object motion. The relevantparameters that describe the behavior of a fuel particle, the lateral andvertical displacement or the time spent during its motion throughout the bed,are determined using the model, and validated with experiments reported inthe literature. ---------------------------------------------------------------------------------
AB Los lechos fludizados se emplean en una gran variedad de aplicaciones, talescomo secado, recubrimiento de partículas, reacciones catalíticas o procesos deconversión térmica. En gran parte de estas aplicaciones, se pueden encontraren el lecho objetos con tamaño diferente al del material de la fase densa. Estosobjetos pueden ser aglomerados, catalizadores o reactivos. En esta tesisdoctoral se presenta un estudio fundamental del movimiento de dichos objetos,teniendo en especial consideración las principales características de los procesosde conversión térmica en los que estos objetos pueden intervenir.Los lechos fluidizados se usan habitualmente para la conversión térmica decombustibles con bajo poder calorífico y/o con alto contenido en humedad, aplicaciónen la cual el elevado intercambio de calor y de masa proporcionado porlos lechos fluidizados resulta relevante. En general, las partículas de combustibleson mucho mayores en tamaño que el material del lecho y tienen una densidadque varía entre la densidad del propio lecho y valores bastante menores. Entodos los casos, un buen mezclado de las partículas de combustible en el lechoimplica una mayor eficiencia en los procesos de conversión térmica.En los lechos fluidizados el mezclado en la dirección vertical es mayor queen la dirección lateral a consecuencia del movimiento de las burbujas. Unadistribución correcta de las partículas de combustible por todo el lecho es fundamentalpara un desarrollo adecuado de la reacción química y para evitar laformación de zonas frías y calientes. Por tanto, el mezclado lateral se convierteen un parámetro de gran importancia.Tanto el desplazamiento lateral y vertical del combustible como las dimensionesdel reactor han de ser tenidos en cuenta, junto con el tiempo de residenciaen el lecho de las partículas de combustible, para una correcta caracterizaciónde su funcionamiento. El tiempo de conversión de una partícula de combustiblepuede ser representado tanto por el tiempo de devolatilización como por eltiempo de conversión del char. En línea con el objetivo de la tesis, se usará elprimero, ya que es el factor limitante en tiempo. Finalmente, la localizacióny el número de alimentadores de combustible necesarios para una correcta distribucióndel combustible en todo el lecho, parámetro significativo en el diseñode reactores, depende fundamentalmente de la capacidad de las partículas de combustible para moverse lateralmente.En esta tesis se obtienen experimentalmente los principales parámetros quecaracterizan el movimiento de un objeto en un lecho fluidizado burbujeante,relacionándolos con variables características del lecho, como la relación entre lavelocidad del gas y la velocidad de mínima fluidización. Estos parámetros principales,son por un lado, el tiempo que el objeto invierte durante su movimientoa través del lecho y, por otro lado, su desplazamiento vertical y lateral, ambosidentificados de forma separada tanto en el interior del lecho como en la superficielibre. La caracterización experimental de la dinámica de un objetoen un lecho fluidizado y de los factores relevantes permite desarrollar un modelodel movimiento del objeto. El modelo se dividirá en varios submodelosque 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 elementalescuyas distribuciones estadísticas puedan ser obtenidas experimentalmente. Losdiferentes submodelos se basan en simulaciones de las relaciones entre las distribucionesestadísticas de dichos factores, usando para ello el método de MonteCarlo.Para su estudio y modelado, el movimiento de un objeto en un lecho fluidizadoburbujeante puede dividirse en dos partes: cuando está en la superficielibre y cuando está inmerso en el lecho. En la superficie libre, en comparacióncon la fase densa, un objeto grande se ve afectado únicamente por lafuerza gravitacional, ya que la fuerza de arrastre del gas y la interacción conpartículas de fase densa resultan despreciables. Por lo tanto, su movimientoserá un movimiento balístico. Este movimiento queda descrito por la velocidaddel objeto en el instante de su eyección a la superficie libre por parte de lasburbujas. Dicha velocidad puede ser caracterizada con información estadísticade su módulo y ángulo, y modelada en función de los parámetros del lecho.Por otro lado, el comportamiento del objeto cuando se encuentra inmerso enel lecho puede separarse también en dos procesos de características muy diferentes:un proceso de subida y un proceso de bajada. El proceso de bajadaestá gobernado por la interacción con la fase densa, moviéndose por tanto elobjeto solidariamente a ésta. Su comportamiento durante ese proceso puededefinirse mediante parámetros estadísticos como la probabilidad del objeto dealcanzar diferentes profundidades máximas o la probabilidad de que el objetocomience un proceso de subida a partir de una determinada posición durante su movimiento de bajada. En el proceso de subida, el objeto se ve afectadoprincipalmente por las burbujas y su capacidad de elevarse directamente hasta la superficie del lecho depende del acoplamiento con éstas. Su comportamientodurante ese proceso puede ser caracterizado por un parámetro que representela probabilidad de un objeto de alcanzar directamente la superficie del lechocuando empieza un proceso de subida o, a la inversa, la probabilidad que tieneel objeto de desacoplarse de la burbuja y empezar un nuevo proceso de bajadaantes de alcanzar la superficie del lecho. Como resultado, el movimiento delobjeto tanto cuando está en la superficie libre como cuando se encuentra inmersoen el lecho se puede describir mediante parámetros estadísticos obtenidosexperimentalmente, y modelar mediante el uso de simulaciones de Monte Carlo.Finalmente, la combinación de los diferentes submodelos del movimiento delobjeto a través del lecho permite describir el comportamiento global de un objetoen un lecho fluidizado burbujeante de escala industrial. Se ha desarrolladoun modelo global basado en simulaciones de Monte Carlo de los parámetros elementales,empleando para ello los parámetros estadísticos representativos delmovimiento del objeto, obtenidos experimentalmente. El modelo desarrolladopermite obtener los parámetros relevantes que describen el comportamiento deuna partícula de combustible; los desplazamientos lateral y vertical y el tiempoinvertido en su movimiento a través del lecho. Los parámetros obtenidos sonvalidados usando resultados experimentales disponibles en la literatura.
YR 2014
FD 2014-07
LK https://hdl.handle.net/10016/19729
UL https://hdl.handle.net/10016/19729
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
DS e-Archivo
RD 1 sept. 2024