Aktuellt

Genom att göra modeller av blandningsfenomen åstadkoms ännu effektivare planeringsverktyg

13.04.2011

I processerna inom den kemiska industrin används ett stort antal blandningsbehållare. Dessa används för olika ändamål från algodling till anrikning av metall. Optimeringen av blandningen kan leda till stora energi- och råvarubesparingar. I laboratoriet för kemisk apparatteknik vid Aalto-universitetet utvecklas modeller, med hjälp av vilka dimensioneringen av blandningsbehållarna kan optimeras. Utvecklingen av en pålitlig modell kräver förståelse och en korrekt matematisk beskrivning av de fenomen som förekommer i behållaren. I laboratoriet har redan under ett år utförts mätningar på materialtransport och fasjämvikter.

Blandningen består ofta av flerfassystem, vätska, gas och fast substans, och de fenomen som förekommer är komplicerade. På grund av att experimenten är dyra i stor skala, har dimensioneringen av stora blandningsbehållare traditionellt baserats på försök i mindre skala. Förhållandena i en stor behållare kan ha stora lokala variationer, vilket gör att utveckling av bättre konstruktionsverktyg är viktig.

Målet är små bubblor och total omblandning

För att blandningsbehållaren ska fungera är det viktigt att känna till flödesfält och fasfördelning. Flödesfältet kan bestämmas t.ex. med PIV-teknik (Particle Image Velocimetry). Mätresultaten ger en noggrann bild av flödeshastigheter och -riktning, dvs. flödesfältet, på olika ställen i behållaren. Ett viktigt verktyg vid studierna av blandningen är flödesberäkning eller CFD (Computational Fluid Dynamics). Blandningsbehållaren uppdelas i små delar, celler och flöden mellan dessa beräknas. Man använder mellan tusen och miljoner celler. Flödesfältet är även här är ett viktigt resultat. Korrektheten i beräkningarna kan kontrolleras genom jämförelse av PIV- och CFD-värden.

Blockmodellen minskar behovet av beräkningseffekt

Flödesberäkning är en bra metod, men den kräver en väldigt stor beräkningskapacitet. Redan beräkningen av ett enkelt flödesfält kan ta flera dagar och de mer invecklade veckor. Blockmodelleringsmetoden, som utvecklats i laboratoriet vid kemisk apparatteknik förenar de goda egenskaperna hos CFD och minskar tiden som krävs för flerfasberäkning.

I blockmodellen uppdelas behållaren i större delar än i CFD, dvs. i block. Blockdelningen görs på basen av CFD-resultaten, så att de inre betingelserna i varje enskilt block är nästan konstanta. Eftersom det nu finns cirka 50–200 block, kan beräkningen göras betydligt snabbare. Då blocken väljs omsorgsfullt, förlorar inte beräkningen mycket av sin exakthet.

Med hjälp av blockmodellen kan relativt snabba dimensioneringsberäkningar utföras, där flera faser, materialtransport mellan faserna samt storleksfördelningen för bubblorna tas i beaktande. I den nyaste tillämpningen ämnar man använda blockmodellen för beräkning algtillväxten i olika bioreaktorer.

På grund av att beräkningen är snabb, men fortfarande noggrann, är modellen mycket intressant för industrin. Trots knappa tidsmarginaler inom industrin är modelleringen möjlig.

Mer information:

Professor Ville Alopaeus
Aalto-universitetet
Högskolan för kemiteknik
Institutionen för bio- och kemiteknik

ville.alopaeus [at] tkk [dot] fi

tfn 470 22630

Tillbaka