Evaluación numérica de un secador centrífugo para carbonato de calcio con alto contenido de sólidos en suspensión acuosa

Abstract

RESUMEN : En este trabajo de investigación se evaluó de forma numérica un secador centrífugo para carbonato de calcio, con un tamaño de partícula entre 1 a 2 µm, en suspensión acuosa con alto contenido de sólidos, igual al 75%, en donde el análisis considero la combustión del gas natural (trabajando con 702 kW de potencia con base al PCI) con aire, el calentamiento de aire en exceso y gases de combustión, la generación de chorro térmico y el proceso de secado como tal. Para este sistema se evaluó el efecto que tiene cambios en la geometría en la fluidodinámica del sistema o en el sistema de combustión, así como en la eficiencia global del mismo; adicionalmente se buscó comprender la forma en que se desarrolla el secado de partículas, en el que se encuentra involucrado un sistema multifásica, gas – líquido – partículas. Las simulaciones numéricas se desarrollaron en el Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso racional de la energía (GASURE) de la universidad de Antioquia. La validación de resultados se realizó mediante comparación directo con mediciones realizadas al equipo real, el cual pertenece a una línea productiva de carbonato de calcio de Omya Andina S.A.S. Para el desarrollo numérico de este trabajo de investigación, se realizaron simulaciones CFD mediante el software ANSYS – Fluent, con en el cual se evaluaron los diferentes perfiles (Temperatura, presión, velocidad, especies) para las diferentes configuraciones planteadas. Los modelos utilizados para la estimación de la turbulencia, interacción cinética química - turbulencia y radiación fueron los modelos k-ε realizable, Eddy Dissipation y ordenadas discretas respectivamente. Se empleó un mecanismo de reacción de 2 pasos para el metano con el que se obtiene información de la emisión de monóxido de carbono (CO) en el proceso, Adicionalmente a partir de postprocesamiento básico de la información generada se obtiene una aproximación de la emisión de NOx. Esta modelación numérica se realizó utilizando la tecnología de mallado “Mosaic” de Ansys, en la cual se prioriza el uso del Poli-Hexacore [4], mediante el uso de esta metodología se evidencia una reducción de un 45.8% de elementos y una simulación 66% más rápida frente a mallado estructurado convencional. El trabajo se dividió en tres secciones principales de interés. La primera corresponde con el análisis de cámara de combustión y quemador, para el cual se encuentra que mediante una modificación en la fluidodinámica del sistema se puede obtener un ahorro energético de 19 Ton de gas natural al año lo que es equivalente a un ahorro de 23 Millones COP y una reducción de 52 Ton de CO2 Equivalente. Para la segunda sección fue de interés el análisis de la zona del manifold, que corresponde con la generación del chorro térmico y para la cual se evidencias errores considerables de concepción, pues el diseño del mismo está ocasionando puntos de concentración con considerables perdidas energéticas que van desde 75 hasta 97 kW. Finalmente, para la tercera sección que considera la zona de secado, es posible evidenciar la interacción del flujo multifásico, así como concluir que el tiempo de residencia y la presión de las diferentes fronteras del sistema juegan un papel fundamental en la operación del mismo. De forma general se consiguen resultados altamente ajustados al sistema real, márgenes de error menores al 5%, y se logra evidenciar que cambios positivos en la fluidodinámica de este tipo de sistemas, pueden llevar a aumentos entre un 2 a 4% de la eficiencia global del sistema con base al consumo de gas natural.

ABSTRACT : In this research work, a centrifugal dryer for calcium carbonate was numerically evaluated, with a particle size distribution between 1 to 2 µm, in aqueous suspension with high solids content, equal to 75%. The analysis considered combustion of natural gas (working with 702 kW of power based on the LHV) with air, the heating of excess air and combustion gases, the generation of thermal jet and the drying process. For this system, the effect on the fluid dynamics and overall efficiency was evaluated due to changes in the geometry of the equipment. In addition, it was sought to understand the way in which the drying of particles takes place, in the multiphase system of interest (gas - liquid - particles). The numerical simulations were developed in the Group of Science and Technology of Gas and Rational Use of Energy (GASURE) of the University of Antioquia. The validation of the results was carried out by direct comparison with measurements made to the real equipment, which belongs to a production line of calcium carbonate of Omya Andina S.A.S. For the numerical development of this research work, CFD simulations were carried out using ANSYS-Fluent software, where different profiles (Temperature, pressure, speed, species) were evaluated for the different configurations proposed. The models used to estimate turbulence, interaction between chemical kinetic and turbulence, and radiation were the k-ε realizable, Eddy Dissipation and discrete ordinate models respectively. A 2-step reaction mechanism was used for methane with which information on the emission of carbon monoxide (CO) in the process is obtained. In addition, from the basic post-processing of the information generated, an approximation of the NOx emission was done. This numerical modeling was carried out using Ansys's “Mosaic” meshing technology, in which the use of Poli-Hexacore [4] is prioritized. Through the use of this methodology, a reduction of 45.8% of elements is obtained and a simulation 66% faster compared to conventional structured meshing. This research work was divided in three main sections of interest. The first one corresponds to the analysis of the combustion chamber and burner, for which it is found that by modifying the fluid dynamics of the system, an energy saving of 19 Tons of natural gas per year can be obtained, which is equivalent to a saving of 23 Million COP (Colombian pesos) and a reduction of 52 Ton of CO2 Equivalent. For the second section, was made the analysis of the manifold zone, which corresponds to the generation of the thermal jet and for which considerable design errors are evident, since its design is causing concentration points with considerable energy losses between 75 to 97 kW. Finally, for the third section that considers the drying zone, it is possible to show the interaction of the multiphase flow, as well as to conclude that the residence time and outlet pressure play a fundamental role in its operation. In general, results highly adjusted to the real system are achieved, error margins less than 5%, and it is possible to show that positive changes in the fluid dynamics of this type of systems can lead to increases global efficiency in a 2 until 4%.