Ağır parçacıklı konik taşkın yataklarda gaz karışımı / Gas mixing in

Tezin Adı
: Ağır parçacıklı konik taşkın yataklarda gaz karışımı / Gas mixing in
conical spouted beds with heavy particles
Yazarı
: Pınar ÇANGAL
Yılı
: 2011
Danışman Adı Soyadı: Doç.Dr.Murat KÖKSAL / Yrd.Doç.Dr.Şule ERGÜN
Öz
: Endüstriyel alanda yaygın bir kullanıma sahip konik taşkın yatakların
temel bir uygulaması da TRISO parçacıkların kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemi ile
kaplanması üzerinedir. TRISO parçacıklarının, gelecek nesil yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı
nükleer reaktör (HTGR) sistemlerinde yakıt elemanı olarak kullanılması planlanmaktadır.
Halen, TRISO parçacıkları prototip reaktörler için laboratuar ölçeğindeki küçük taşkın yatak
kaplayıcılarında üretilmektedir. Tam ölçekli reaktörler çalışmaya başladığında, büyük ölçekli
CVD taşkın yatak kaplayıcılarına büyük bir ihtiyaç duyulacaktır. Büyük ölçekli taşkın yatak
kaplayıcılarının tasarlanabilmesi içinse bu tip kaplayıcıların hidrodinamik (gaz-katı akışı ve
karışım özellikleri) karakteristiklerinin bilinmesi gerekir. Literatürdeki konik taşkın yataklarda
hidrodinamik çalışmaları çoğunlukla hafif parçacıklar kullanılarak yapılmıştır. Literatürdeki
ağır parçacıklarla çalışılan konik taşkın yatakların hidrodinamiği ile ilgili bilgi ise oldukça
sınırlıdır.
Bu çalışmanın temel amacı, ağır parçacıklarla çalışılan konik taşkın yataklarda radyal gaz
karışım özelliklerinin belirlenmesidir. Bu amaçla, oda sıcaklığı koşullarında, 0.15 m giriş
çapına sahip üç farklı açıdaki konik taşkın yataklarda, değişen çalışma koşullarında (gaz giriş
hızı ve statik yatak yüksekliği) sürekli izleyici gaz (CO2) tekniği kullanılarak radyal gaz
karışımı deneyleri yapılmıştır. Gerçek kaplama işleminde kullanılan parçacıkların özelliklerinin
temsil edilebilmesi için 6050 kg/m3 yoğunluğa sahip zirkonyaya parçacıkları (Yttria-stabilized
zirconia, ZrO2) kullanılmıştır. Radyal gaz karışım deneylerine ek olarak pitot tüpü ile lokal gaz
hızı ölçümleri yapılmıştır.
Radyal gaz karışım deneylerinin sonuçları, yatak girişinden enjekte edilen izleyici gazın konik
açı ve çalışma koşullarından bağımsız bir şekilde, halka bölgesinde yeterince dağılamadığı ve
yatak duvarına ulaşamadığını göstermiştir. Bu durum, radyal gaz karışımının ve gaz-katı
temasının yeterince iyi olmadığını ve gerçek kaplayıcılarda reaksiyon verimliliğini
kötüleştirebileceğini gösterir.
Farklı yüksekliklerde, radyal eksen boyunca yapılan lokal gaz hızı ölçümlerinde halka
bölgesinde oldukça yüksek hız değerleri ölçülmüştür. Bu duruma neden olarak halka
bölgesindeki yüksek katı yoğunluğunun ve pitot tüpünün çevresindeki akışı değiştiren gaz
hızının radyal bileşeninin birleşik etkisi görülmüştür.
Konveksiyon-difüzyon taşınım denkleminden basitleştirilen radyal gaz karışım modeli
(yayılmış tapa akış modeli), taşkın bölgesinde ölçülen izleyici gaz konsantrasyonuna
uygulanmış ve radyal gaz dağılım katsayıları hesaplanmıştır. Halka bölgesinde hesaplanan
radyal gaz dağılım katsayılarının genel olarak tasarım (konik açı) ve çalışma koşullarından (gaz
giriş hızı, parçacık çapı, statik yatak yüksekliği) bağımsız bir şekilde 0.001-0.01 m2/s değerleri
arasında değiştiği bulunmuştur.
Abstract
: One of the main applications of the conical spouted beds, which are
widely used in industrial applications, is the TRISO particle coating with chemical vapor
1
deposition (CVD) technique. TRISO particles are planned to be used in next generation high
temperature gas cooled reactors (HTGR) as nuclear fuel elements. Currently, TRISO particles
are produced in laboratory scale, small spouted bed coaters for prototype reactors. Once the full
scale reactors are in operation, there will be a huge need for large scale CVD spouted bed
coaters. In order to design and scale up large scale spouted bed coaters, the hydrodynamic (gassolid flow and mixing patterns) characteristics of these type of contactors must be known. In
the literature, available hydrodynamics studies on conical spouted beds have been mostly
carried out with light particles . However, nuclear fuel CVD coaters operate with uranium
dioxide particles whose density decreases from 10000 kg/m3 to 2500 kg/m3 during coating.
Information on the hydrodynamics of conical spouted beds with high density particles is scarce
in the literature.
The main objective of this study is to determine the radial gas mixing behavior of conical
spouted beds operated with high density particles. In this respect, radial gas mixing experiments
with steady-state tracer gas technique (tracer gas, CO2) were performed in a laboratory scale
cold model conical spouted bed with 0.15 m ID and three different conical angles under varying
operating parameters (superficial gas velocity and static bed height). In order to simulate the
particle properties in the actual coating process, Yttria-stabilized zirconia particles (ZrO2, also
known as zirconia) with particle density of 6050 kg/m3 were used. Additionally, local
interstitial gas velocity measurements were carried out with a pitot tube.
The results of the radial gas mixing experiments show that the tracer gas injected from the
bottom of the bed at the axis is not able to disperse sufficiently in the annulus region and reach
to the wall regardless of the conical angle and operating parameters. This indicates poor radial
gas mixing and gas-solid contact which may deteriorate the reaction efficiency in an actual
coater.
Local interstitial gas velocity measurements carried along the radial axis at different bed heights
resulted in unreasonably high velocity values in the annulus region. This was attributed to the
combined effects of high solids concentration and possible radial component of the gas velocity
in the annulus region affecting the flow around the pitot tube.
A radial gas mixing model (dispersed plug flow model) simplified from the convectiondiffusion transport equation was applied to the measured tracer data in the spout region and
respective radial gas dispersion coefficients were calculated. The radial dispersion coefficients
in the spout region were found to vary between 0.001-0.01 m2/s, generally unaffected by the
design (conical angle) and operational (superficial gas velocity, particle diameter, static bed
height) parameters.
2