ANALYZING THE HYDRO DYNAMICS AND THE CHEMICAL REACTIONS IN PULP DIGESTER SYSTEMS USING CFD MODELLING

The aim of this thesis is to use differential analysis and finite volume method (FVM) to model and analyze a continuous pulp digester in order to create a detailed picture of the flow behaviour and chemical reactions in the digester. This information will be used to optimize wood chip flow and reactions and to diagnose and avoid faults such as hang-ups and channelling. As digesters increase in size, the importance of control of the liquor flow in the wood chip bed also increases. Pulping reactors are often faced with production disturbances that cause reduced fibre quality, non-uniform chemical reactions and damaging channelling phenomena. The models that are proposed in this thesis aim to consider the fluid dynamics, thermodynamics and chemical reactions together in order to create a model with more detail than has been previously reported. The digester is of the continuous type and has a circular cross-section, with a height of 60 m and a diameter that increases stepwise from 6 m at the top to 7 m at the bottom. The geometry of the digester, including an internal pipe with three different diameters, three inlet flows at three levels of the digester, inlets and outlets at the top and bottom, and a number of peripheral circulation pipes connected to the screens at three levels, is represented in simulations by a 2D axisymmetric model constructed in Gambit. The interactions between the two phases - the wood chips and the alkaline liquor - are studied using the finite volume method (FVM). Eulerian and Mixture numerical methods are evaluated for solving a mass transfer multiphase model with a porous matrix, species transport and reaction system in FLUENT. Variable porosity is used to model channelling in the digester. Comparisons of the results of simulations with real digester data indicate that the multiphase model, with the species transport and mass transfer modules accurately predict the pulping chemical reactions inside the digester and are able to evaluate pulp quality. The species transport model with reaction scheme is able to predict the mass balance equation and stoichiometry of the pulping reaction. The porous media scheme complements this approach to give a more complete view of pulp production, including the effect of faults in the process. The approaches to the FVM described in this thesis enable an accurate view of the pulping process which can contribute to improved control and optimization of the process.CFD modellering av hydrodynamiska och kemiska reaktioner i massakokare Huvudsyftet med denna avhandling har varit att utveckla en numerisk modell som kan användas för att simulera och styra massatillverkningsprocessen. En finit volym metod har tillämpats, med hjälp av CFD (Computational Fluid Dynamics) programmet FLUENT. Även om den kontinuerliga sulfatprocessen är den dominerande kemiska massaprocessen, så är vår kunskap om vad som händer i kokaren med avseende på hydraulik och de kemiska reaktionerna på en relativt låg nivå. Anledningen är att det är mycket svårt att ta ett prov från vilken punkt som helst i kokaren för att göra olika mätningar. Speciellt, hängningar och kanalbildning i kokaren är inte väl förstådd trots att dessa fenomen orsakar betydande produktions- och kvalitetsförluster. Det finns varken en entydig förklaring till eller lösning för hur man skall kunna undvika hängning och kanalbildningar ännu. Genom CFD-simuleringar som utvecklats i denna avhandling kan vi simulera vad som kan antas hända, och hur dessa fenomen kan upptäckas genom att mäta temperaturer, tryck och Kappatal i olika positioner. CFD-modellerna kan beskriva vad som kan hända i kokaren och indirekt skapa en bild av massaprocessen. Förhoppningsvis kan simuleringarna också användas för att undersöka hur man kan motverka störningarna. Storleken på kokare ökar kontinuerligt för att tillgodose högre produktionstakt men storleksökningen gör det samtidigt ännu svårare att hantera kemiska processer inne i kokaren. Det finns både satsvis- och kontinuerliga kokare, men de modernaste är kontinuerliga kokare. Dessa har ofta komplicerade cirkulationsloopar för att kunna hålla rätt förhållande med avseende på temperatur och kemikaliekoncentrationer i olika delar av kokaren. Problemen med kokare är bland annat ojämn fördelning av vätskeflödet genom flisen, trycket från flispelaren, fliskomprimering, flisrörelse i olika riktningar, heterogena träflisformer (och storlek på bitarna), tvättningseffektivitet, swing mellan olika vedkvaliteter och hängningar av flis längs väggarna. I denna avhandling har en matematisk 3-D modell utvecklats där alla dessa faktorer och fenomen undersöks för att förbättra kunskapen om flödet och de kemiska processerna som gör det möjligt för oss att hantera och optimera produktionen. Genom att simulera olika driftproblem och jämföra simuleringarna med processdata kan vi försöka analysera kemiska processen inne i kokaren. För att kunna kombinera en verklighetsnära simulering med en rimlig tid för att lösa problemet har en Axisymetrisk 2-D struktur använts. Det betyder att man antar att kokaren ser likadan ut i alla riktningar från centrum och utåt