[en] In this work, we study the conditions needed to reach homogeneous distribution of aluminium salts particles in water inside a torispherical bottom shaped stirred tank of 70 L equipped with a Pfaudler RCI type impeller and three equispaced vertical baffles. The aim of the present study is to develop a CFD model describing the quality of particle distribution in industrial scale tanks.
This model, validated with experimental data, is used afterwards to develop scale-up and scale-down correlations to predict the minimum impeller speed needed to reach homogeneous solid distribution Nhs.The commercial CFD software Fluent 14 is used to model the fluid flow and the solid particle distribution in the tank. Sliding Mesh approach is used to take the impeller motion into account. Assuming that the discrete solid phase has no influence on the continuous liquid phase behaviour, the fluid flow dynamics is simulated independently using the well-known k-ε turbulence model. The liquid-solid mixture behaviour is then described by implementing the Eulerian Mixture model. Computed liquid velocity fields are validated by comparison with PIV measurements. ComputedNhs were found to be in good agreement with experimental measurements. Results fromdifferent scales allowed correlating Nhs values to the volumetric power consumption. [fr] Dans ce travail, nous étudions les conditions de mise en suspension homogène de particules de sels d’aluminium dans l’eau, dans une cuve cylindrique à fond GRC, équipée d’un mobile de type Pfaudler RCI et de trois contre-pales équidistantes. Le but de la présente étude est de développer un modèle CFD permettant de caractériser la qualité de la dispersion de solides à l’échelle industrielle. Une fois validé sur base de données expérimentales, le modèle est ensuite utilisé pour établir une corrélation de scale-up et scale-down permettant de prédire la vitesse de mise en suspension homogène, Nhs, dans des cuves de différentes tailles. Le logiciel CFD Fluent 14 est utilisé pour créer le modèle de mise en suspension du solide dans la cuve agitée. La géométrie 3D d’une cuve de 70L ainsi que son maillage sont respectivement réalisés à l’aide des logiciels d’Ansys 14 DesignModeler et Meshing. Un maillage glissant est utilisé afin de reproduire la rotation du mobile. La simulation est réalisée en deux étapes, le champ de vitesse du liquide dans la cuve est tout d’abord simulé en utilisant un modèle de turbulence k-ε standard. La distribution du solide dans la cuve est ensuite simulée par l’implémentation d’un modèle Eulerian-Mixture. Les champs de vitesse simulés sont validés expérimentalement sur base de mesures des champs de vitesse mesurés par PIV (Particule Image Velocimetry). La vitesse Nhs calculée par simulation est comparée avec succès à la vitesse déterminée expérimentalement sur base de mesures néphélométriques réalisées près de la surface libre du liquide. Enfin, des mesures réalisées sur des cuves géométriquement semblables mais de tailles différentes ont permis de corréler Nhs à la puissance volumique dissipée.
Research center :
Laboratoire de Génie Chimique (LGC)
Disciplines :
Chemical engineering
Author, co-author :
Calvo, Sébastien ; Université de Liège - ULiège > Département de chimie appliquée > Génie de la réaction et des réacteurs chimiques
Delafosse, Angélique ; Université de Liège - ULiège > Département de chimie appliquée > Génie chimique - Génie catalytique
Collignon, Marie-Laure ; Université de Liège - ULiège > Département de chimie appliquée > Département de chimie appliquée
Crine, Michel ; Université de Liège - ULiège > Département de chimie appliquée > Génie chimique - Opérations physiques unitaires
Toye, Dominique ; Université de Liège - ULiège > Département de chimie appliquée > Génie de la réaction et des réacteurs chimiques
Language :
English
Title :
Experimental characterisation and modelling of homogeneous solid suspension in an industrial stirred tank
Alternative titles :
[fr] Caractérisation expérimentale et modélisation CFD d'une suspension solide homogène au sein d'une cuve agitée industrielle
Publication date :
August 2013
Journal title :
Advances in Mechanical Engineering
ISSN :
1687-8132
eISSN :
1687-8140
Publisher :
Hindawi Publishing Corporation, New York, United States
Special issue title :
Advances in Mechanical Engineering Special Issue: "Multiphase Flow System with Suspended Particles"
Paul E. L., Atiemo-Obeng V. A., Kresta S. M., Handbook of Industrial Mixing 2010 Hoboken, NJ, USA John Wiley & Sons
Jafari R., Chaouki J., Tanguy P. A., A comprehensive review of just suspended speed in liquid-solid and gas-liquid-solid stirred tank reactors. International Journal of Chemical Reactor Engineering 2012 10 1, article R1 2-s2.0-84857722741 10.1515/1542-6580.2808
Ricard F., Brechtelsbauer C., Xu X. Y., Lawrence C. J., Monitoring of multiphase pharmaceutical processes using electrical resistance tomography. Chemical Engineering Research and Design 2005 83 7 A 794 805 2-s2.0-22744443565 10.1205/cherd.04324 (Pubitemid 41030086)
Zwietering T. N., Suspending of solid particles in liquid by agitators. Chemical Engineering Science 1958 8 3-4 244 253 2-s2.0-0001416524
Angst R., Kraume M., Experimental investigations of stirred solid/liquid systems in three different scales: particle distribution and power consumption. Chemical Engineering Science 2006 61 9 2864 2870 2-s2.0-33244493566 10.1016/j.ces.2005.11.046 (Pubitemid 43277388)
Jafari R., Tanguy P. A., Chaouki J., Experimental investigation on solid dispersion, power consumption and scale-up in moderate to dense solid-liquid suspensions. Chemical Engineering Research and Design 2012 90 2 201 212 2-s2.0-84856616260 10.1016/j.cherd.2011.07.009
Wang S., Boger D. V., Wu J., Energy efficient solids suspension in an agitated vessel-water slurry. Chemical Engineering Science 2012 74 233 243 2-s2.0-84858727759 10.1016/j.ces.2012.02.035
Aubin J., Fletcher D. F., Xuereb C., Modeling turbulent flow in stirred tanks with CFD: the influence of the modeling approach, turbulence model and numerical scheme. Experimental Thermal and Fluid Science 2004 28 5 431 445 2-s2.0-1842586598 10.1016/j.expthermflusci.2003.04.001 (Pubitemid 38454078)
Deglon D. A., Meyer C. J., CFD modelling of stirred tanks: numerical considerations. Minerals Engineering 2006 19 10 1059 1068 2-s2.0-33747606234 10.1016/j.mineng.2006.04.001 (Pubitemid 44262484)
Delafosse A., Line A., Morchain J., Guiraud P., LES and URANS simulations of hydrodynamics in mixing tank: comparison to PIV experiments. Chemical Engineering Research and Design 2008 86 12 1322 1330 2-s2.0-56849085514 10.1016/j.cherd.2008.07.008
Murthy B. N., Joshi J. B., Assessment of standard k-ε RSM and LES turbulence models in a baffled stirred vessel agitated by various impeller designs. Chemical Engineering Science 2008 63 22 5468 5495 2-s2.0-54149112324 10.1016/j.ces.2008.06.019
Kasat G. R., Khopkar A. R., Ranade V. V., Pandit A. B., CFD simulation of liquid-phase mixing in solid-liquid stirred reactor. Chemical Engineering Science 2008 63 15 3877 3885 2-s2.0-46749100508 10.1016/j.ces.2008.04.018
Montante G., Micale G., Magelli F., Brucato A., Experiments and CFD predictions of solid particle distribution in a vessel agitated with four pitched blade turbines. Chemical Engineering Research and Design 2001 79 8 1005 1010 2-s2.0-0035520717 10.1205/02638760152721253 (Pubitemid 34137704)
Micale G., Grisafi F., Rizzuti L., Brucato A., CFD simulation of particle suspension height in stirred vessels. Chemical Engineering Research and Design 2004 82 9 1204 1213 2-s2.0-4644296936 10.1205/cerd.82.9.1204.44171 (Pubitemid 39300650)
Khopkar A. R., Kasat G. R., Pandit A. B., Ranade V. V., Computational fluid dynamics simulation of the solid suspension in a stirred slurry reactor. Industrial and Engineering Chemistry Research 2006 45 12 4416 4428 2-s2.0-33745638171 10.1021/ie050941q (Pubitemid 43966413)
Micale G., Montante G., Grisafi F., Brucato A., Godfrey J., CFD simulation of particle distribution in stirred vessels. Chemical Engineering Research and Design 2000 78 3 435 444 2-s2.0-0034087744 10.1205/026387600527338 (Pubitemid 30354947)
Wadnerkar D., Utikar R. P., Tade M. O., Pareek V. K., CFD simulation of solid-liquid stirred tanks. Advanced Powder Technology 2012 23 4 445 453 10.1016/j.apt.2012.03.007
Perry R. H., Green D., Chemical Engineer's Handbook 1984 New York, NY, USA McGraw-Hill
Collignon M.-L., Étude de l'hydrodynamique au sein d'un bioréacteur à cuve agitée utilise pour la culture de cellules animales adhérentes sur microporteurs: caractérisation expérimentale et théorique des écoulements via des outils eulériens et lagrangiens [Ph.D. report] 2012
Xuereb C., Poux M., Bertrand J., Agitation et Mélange: Aspects Fondamentaux et Applications Industrielles, L'Usine Nouvelle 2006 Paris, France Dunod.
