Modeling and optimisation of a rotary kiln reactor for the processing of battery materials

University essay from KTH/Kemiteknik

Abstract: Roterugnar är cylindriska kärl som används för att höja materials temperaturer i en kontinuerlig process som kallas för kalcinering. Roterugnar kan tillämpas i olika processer såsom reduktion av oxidmalm samt återvinning av farligt avfall. Fördelen med roterugnar ligger i dess förmåga att hantera råmaterial som sträcker sig från slam till granulära material med en mängd olika partikelstorlekar, och därigenom upprätthålla distinkta miljöer såsom en bädd av fasta partiklar som samexisterar med ett oxiderande fribord. Sex olika bäddbeteende har dokumenterats med avseende på fyllningsgrad samt Froude nummer. Syftet med denna studie var att utveckla en tvådimensionell suspensions modell med CFD genom att använda den kommersiella mjukvaran COMSOL 5.5 för att simulera de två faser, gas och fast, som en blandad fas efter verk av Philips et. al., Physics of Fluids A: Fluid Dynamics 4.1 (1992) 30-40 och Acrivos & Zhang., International Journal Multiphase Flow 20.3 (1994) 579-591. Denna modell undersöktes genom att jämföra den med de dokumenterade flödesregimerna samt genom parameter som partikelstorlek, partikeldensitet och viskositeten hos gas i flödesregimen känd som rullande läge. Dessutom undersöktes temperaturprofilen för den roterande ugnen genom att utforska hur blandningsvariationer av den fasta bädden i den roterande ugnen påverkas av värmeöverföringen när värme tillförs från väggen under rullande läge. Resultaten av den tvådimensionella suspension modellen visade att det var bara möjligt att simulera glidläge korrekt; andra lägen kunde inte beskrivas som dokumenterat i litteraturen. Det indikeras att vilovinkeln och viskösa krafter i den roterande ugnen var låga vilket resulterade i att suspensions modellen inte kunde avbilda exakt de återstående flödesregimerna som dokumenterat. Till exempel avbildades rullningsläget mer likt forsandeläge då partiklarna fall fritt efter höjning av bädden. Partikelstorlek och partikeldensitet har visat sig ha en betydande påverkan på suspensions modellen eftersom de viskösa krafterna blir låga för en partikelstorlek och partikeldensitet under 0,4 mm respektive 1500 kg/m3. Angående gasens viskositet visades det sig att ju närmare värdet 2.055e-3 (Pa's) den blev desto större blev sedimentationsflödet vilket resulterade i att bäddpartiklarna dras ner och förblir där. Suspensions modellen kunde således simulera en fast och flytande fas och inte en gasfas som avsett. Slutligen visade temperaturanalysen att påverkan av den termiska konduktiviteten var mer signifikant än den specifika värmekapaciteten i intervallet 1 - 50 (W/(m'K)) respektive 300 - 800 (J/(kg'K)) på grund av den tid det tog att nå en homogen temperaturprofil.

  AT THIS PAGE YOU CAN DOWNLOAD THE WHOLE ESSAY. (follow the link to the next page)