Kaikki aineistot
Lisää
Työn teoreettisessa osassa tarkastellaan sulfatointia ja kaasu-kiinteä -reaktioiden erilaisia kineettisiä malleja. Reaktiokinetiikka kontrolloi kaasu-kiinteä -reaktioita ja sen mallintaminen auttaa määrittämään reaktioihin vaikuttavia tekijöitä, joilla reaktionopeutta edelleen pystytään parantamaan. Työssä esitetyt mallit ovat muuttuvan raekoon malli (CGSM), reagoimattoman ytimen malli (UCM), muuttuvan huokoskoon malli (CPSM), huokosjakaumamalli (DPM) ja raekokojakaumamalli (GSDM). UCM on yksinkertaisin malli, jossa partikkelien rakeiden oletetaan reagoivan samanaikaisesti. Kehittyneempiä malleja ovat CGSM ja CPSM, jotka selittävät konsentraation muutoksen siirryttäessä partikkelin ulkoreunalta ytimeen. CGSM:ssä ulkoreunalla olevat rakeet ja CPSM:ssä huokoset muuttuvat tuotteeksi, kun sisemmät rakeet ovat vielä reagoimattomia. DPM ottaa huomioon raekokojakauman ja konsentraatioprofiilin. Kehittynein malli on GSDM, joka on CGSM:n ja DPM:n yhdistelmä. Vaikka DPM ei ole aivan niin kehittynyt malli kuin GSDM, valitaan se valmiin koodin vuoksi laskennalliseen osaan. Laskennallisessa osassa yritetään selvittää DPM-mallin, joka oli koodattu omaksi ohjelmakseen, sopivuutta kuvaamaan CuO/Cu_(2)O:n sulfatointireaktioiden etenemistä. Huokosjakaumamalli perustui Kocaefen väitöskirjan DPM-malliin. Mallilla testattiin ensin alkuperäisen CaO-mallin parametrejä (reaktionopeusvakio (k), diffusiviteetti tuotekerroksen läpi (D_s) huokoskoko ja huokoskokojakauma). Testin perusteella pääteltiin, että D_s, raekoko, ja raekokojakauma täytyy tuntea hyvin käytettäessä mallia kuparioksideille. Lisäksi malli muokattiin kuparioksideille ja testattiin kaasufaasin lämpötilan, SO_3-pitoisuuden ja partikkelikoon vaikutusta CuO/Cu_(2)O:n sulfatointiin. Tuloksista voitiin päätellä, että partikkelikoon muutoksella oli suurin vaikutus konversioon verrattuna mallin muihin parametreihin. Mallilla tehtyjen testien ja laskettujen tapausten perusteella voidaan sanoa, että kineettinen malli on kohtuullisen hyvä ja sillä voidaan simuloida jätelämpökattilan olosuhteissa tapahtuvia sulfatoitumisreaktioita.
Diplomityön teoreettisessa osassa selvitettiin laskennallisen virtausdynamiikan luotettavuuteen vaikuttavia epävarmuustekijöitä ja sen varmentamiseen tarvittavia toimenpiteitä. Ensiarvoisen tärkeää olisi vakiinnuttaa kansainvälisesti ainakin tärkeimmät varmentamiseen liittyvät käsitteet ja standardoida varmentamisprosessi. Virtausdynaamisista, laskennallisista, erityisesti kokeellisesta virtausdynamiikasta johtuvista ja käyttäjälähtöisistä syistä syntyviä epävarmuustekijöitä voidaan pyrkiä eliminoimaan varmennusprosessissa, jossa verifiointi arvioi simulointimallin ja simulointituloksien tarkkuuden ja validointi todentaa niiden sisällöllisen paikkansapitävyyden. Käytetyt menetelmät ovat yleensä vastaavasti herkkyysanalyysi ja vertaaminen kokeelliseen dataan. Luotettavuuden arvioiminen tulee aina tehdä simuloinnin käyttötarkoituksen näkökulmasta ja sen tavoitteena tulee olla luotettavat simulointitulokset, joiden yhteydessä samalla ilmaistaan aina numeerisesti niiden tarkkuus ja sovellutusalue. Työn kokeellisessa osassa simuloitiin PHOENICS mallinnusohjelmiston versiolla 2.2 tarkoilla geometrioilla toteutettujen keskeissuihku- ja venturityyppisten rikastepoltinten virtaus- ja suspensionmuodostumiskäyttäytymistä. Saatujen virtauskuvioiden ja suspensiotiheyksien havaittiin poikkeavan sekä eri poltintyypeillä että käytetyillä 10 ,µm, 20 µm, 36 µm, 50 µm ja 74 µm partikkelikoilla toisistaan vain yllättävän vähän ja pääasiassa lähellä reaktiokuilun keskiakselia ja polttimia. Venturipolttimella simuloidut kaasun virtausnopeudet olivat kuitenkin moninkertaiset keskeissuihkupolttimeen verrattuna. Keskeissuihkupolttimella hajotusilman vaikutus rikasteen horisontaalinopeuksiin väheni partikkelikoon kasvaessa. Pienemmän partikkelikoon havaittiinkin kummallakin poltintyypillä hiukan tehostavan suspension muodostumista. Keskeissuihkupoltin levitti suspensiota polttimen lähialueella hiukan venturipoltinta enemmän.
Diplomityössä on tutkittu CFD-laskennan mahdollisuutta mallintaa VSF-uuttoprosessin selkeyttimessä tapahtuvia virtauksia sekä virtausten tasaamiseksi käytettävien rakoaitojen aiheuttamia painehäviöitä. Kirjallisuusosassa on käsitelty neste-neste -uuttoa hydrometallurgisen teollisuuden ja erityisesti kuparin erotusprosessin kannalta, jossa uuton yksikköprosessit jaetaan uuttoon, pesuun, takaisinuuttoon ja jossain tapauksessa myös regenerointiin. Hydrometallurgiassa yleisimpänä uuttolaitteena käytetään sekoitin-selkeyttimiä, joissa sekoitusreaktorissa dispergoidaan nesteet (tavallisesti orgaaninen ja vesi), minkä jälkeen faasien erottuminen tapahtuu horisontaalisessa selkeyttimessä. Työssä on tarkasteltu kirjallisuuden avulla faasien erottumiseen liittyviä ongelmia, esim. niiden väliin muodostuvaa crud-kerrosta sekä ongelmien poistamiseksi kehitettyjä uusia sekoitin-selkeyttimiä (esim. VSF-uuttotekniikka) ja selkeyttimissä käytettäviä rakoaitoja. Laskennallisessa osassa on tarkasteltu VSF-uuttolaitteistoa vastaavan pilot-laitteiston rakoaidan aiheuttamaa painehäviötä analyyttisesti ja CFX-virtauslaskentaohjelmistolla. Tarkoituksena oli selvittää, kuinka kaupallista CFD-ohjelmaa voitaisiin käyttää rakoaidan mitoituksen apuna. Tämän lisäksi pilot-laitteistolla tehtiin vesikoeajoja. Kolmen vesikoeajon videoituja virtauskuvioita verrattiin niistä CFX:llä tehtyihin vastaavien laskentamallien virtauskuvioihin. Painehäviön laskemisessa analyyttisesti ongelmaksi osoittautui paikallisvastuskertoimien määrittäminen rakoaidan geometrialle, minkä vuoksi käsinlaskettu ja CFX:llä laskettu tulos erosivat huomattavasti toisistaan. Simuloiduista virtauksista ja vesikoeajoista voitiin havaita, että selkeyttimen syöttöpäädyssä virtauskuvioissa oli pientä poikkeavuutta, mutta peräosassa CFX:n ennustama virtauskuvio vastasi hyvin koeajoja. Saatujen laskentatuloksien perusteella voidaan kuitenkin todeta, että CFX-ohjelma soveltuu kohtuullisen luotettavasti erilaisten rakoaitageometrioiden suunnitteluun ja selkeyttimen virtauskuvioiden mallintamiseen, kun laskentahila on tarpeeksi tiheä.