Ağır parçacıklı konik taşkın yataklarda gaz karışımı
Gas mixing in conical spouted beds with heavy particles
Yazar: PINAR ÇANGAL
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KÖKSAL ; YRD. DOÇ. DR. ŞULE ERGÜN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering

Özet:
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 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 (gas-solid 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 convection-diffusion 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.