Mathematical Modelling of Single- and Two-Phase Flow Problems in the Process Industries

Modélisation mathématique de problèmes d'écoulement mono- et bi-phasique dans les industries de transformation

National Technical University of Athens

Abstract

Many key issuesin design for the process industries are related to the behaviour of fluids in turbulent flow, often involving more than one phase, chemical reaction or heat transfer. Computational-Fluid-Dynamics (CFD) techniques have great potential for analysing these processes and can be of great help to the designer, by reducing the need to resort to cut and try : approaches to the design of complex equipment. The paper presents the fundamental principles of CFD within the context of the so-called finite-domain technique. The procedure can handle one-, two-, and three-dimensional distributions of the variables in space, steady or transient processes, multi-phase processes, and effects such as turbulence, compressibility of phases, buoyancy, phase-change, chemical reactions, gravity stratification, etc. Demonstrations are made of the application of the procedure to the numerical computation of some process industry situations, such as those occurring in adsorbers/regenerators, combustors, cement kilns, and heat - exchangers. It is concluded that :- The finite - domain versions of the differential equations are soluble, with modest computer costs;- The solutions are always physically plausible; and,- There is a need for extensive evaluation and validation of CFD physical and chemical sub-models, particularly those concerning turbulence, chemical kinetics and interphase-transport processes.

Résumé

Bon nombre de difficultés de conception des procédés industriels sont liés au comportement des fluides en écoulement turbulent, qui font souvent intervenir plusieurs phases, réactions chimiques ou transferts thermiques. Les techniques de dynamique des fluides assistée par ordinateur (CFD) permettent d'analyser ces procédés et peuvent apporter une aide considérable à la conception en éliminant le recours aux méthodes expérimentales pour l'étude d'équipements complexes. Cette communication présente les principes fondamentaux de la CFD dans le contexte de ce que l'on appelle la technique du domaine fini. Cette méthode peut traiter des distributions mono-, bi- ou tri-dimensionnelles de variables dans l'espace, des procédés stables ou transitoires, des procédés polyphasiques, et des effets tels que turbulence, compressibilité des phases, effet de la gravité, changement de phase, réactions chimiques, stratification par gravité, etc. On démontre l'application de la procédure au calcul numérique d'un certain nombre de procédés ou de situations industrielles, par exemple : adsorbeurs/régénérateurs, chambres de gazéification, fours à ciment et échangeurs de chaleur. L'auteur conclut : - Les versions des équations différentielles obtenues par la technique du domaine fini peuvent être résolues moyennant un coût informatique modéré. - Les solutions sont toujours plausibles sur le plan physique. - Il est indispensable d'effectuer une évaluation et une validation poussées des modèles physiques et chimiques obtenus par CFD, en particulier de ceux qui concernent la turbulence, la cinétique chimique et les procédés de transport entre les phases.