CFD-simulering av såpseparation

Den gröna hushållsåpan, välbekant för de flesta, tillverkas av tallolja, som i sin tur framställs av en restprodukt från sulfatprocessen, såpa.

Förutom att tallolja utgör basen i en mängd olika kemikalier så används den ofta som ett internt biobränsle för att ersättafossil olja i exempelvis mesaugnar. Idag har ytterligare ett användningsområde hamnat i fokus, då tallolja även visat sigfungera väl som råvara vid framställning av fordonsdrivmedel.

Stora miljövinster möjliga

Företaget Sunpine, som samägs av Kiram, Södra, Preem och Sveaskog startade förra året en anläggning i Piteå som har som mål att tillverka 100 000 kubikmeter biodiesel baserad på tallolja. Om denna biodiesel ersätter fossil diesel minskas koldioxidutsläppen med omkring 250 000 ton om året, vilket motsvarar utsläppen från ungefär 120 000 bilar. För att åstadkomma dessa stora miljövinster behöver man alltså först utskilja såpan ur sulfatprocessen. Det är denna process detta CFD-arbete syftar till att förbättra.

Tidigare studie motiverade ny

Såpan är från början inblandad i luten i form av små droppar som skiljs från svartlut i en sedimenteringsprocess där den lättare såpan flyter upp till toppen av stora, ofta nära 20 meter höga tankar. Blandningen av såpa och svartlut tillförs kontinuerligt tanken, och när tillräckligt mycket såpa ansamlats i toppen av tanken dekanteras den, och såpan förs vidareför att bli till tallolja. Avsåpningstankarna har traditionellt designats för att ha en omsättningstid (tankvolym divideratmed volymflöde), av minst 4 h, och låg ytlast (volymflöde dividerat med tankens horisontella tvärsnittsarea), helst mindreän 3 m/h. Ytlasten 3 m/h är vald så att en typisk såpdroppe ska stiga vertikalt fortare än den nedåtgående luthastigheten itanken och därmed separeras. I två tidigare Värmeforskprojekt fann man dels att det finns en potential att öka den totala svenska talloljetillverkningen med 30 000 ton per år till 280 000 ton per år, dels att korrelationen mellan tankuppehållstid,ytlast och såpavskiljningsgraden i avsåpningstanken är svagt. Detta motiverade en djupare studie i ämnet.

Computational Fluid Dynamics

CFD står för Computational Fluid Dynamics och är den gren av fluidmekaniken som behandlar datorsimuleringar av en fluids (som till exempel svartlut), rörelse. CFD-tekniken består mycket kortfattat i att dela in den volym som ska simuleras i ett stort antal delvolymer (i storleksordningen 1 miljon) där hastighet, tryck och temperatur beräknas i varje delvolym genom att utnyttja principen om bevarandet av impuls, massa och energi.

Höga luthastigheter i avsåpningstankarna

CFD-simuleringarna av en typisk avsåpningstank visar att de relativt höga inloppshastigheterna på svartluten inte retarderas inne i tanken i den utsträckning som man förväntat sig. Stora delar av avsåpningtankarna har luthastigheter långt över designytlasten på 3 m/h – det är för vissa konstruktioner inte ovanligt med nedåtgående hastigheter över 300 m/h. Trots att detta är 2 (!) storleksordningar högre än konstruktionsantagandena fungerar tankarna ändå förhållandevis väl.  Avskiljningsgraden är ofta över 80 procent vilket indikerar att det finns fenomen i avsåpningsprocessen som inte enkelt kan förklaras. Beräkningarna har också visat att designen av inloppssystemet i tanken starkt påverkar lutens rörelsemönster, ochdärmed avskiljningen, samt att man med relativt enkla medel kan förändra denna.

Stabilitet mot densitetsvariationer

Det andra viktiga resultatet av CFD-simuleringarna är avsåpningstankarnas känslighet för densitetsvariationer. Ju långsammareen vätska rör sig och ju längre sträcka den ska tillryggalägga, desto känsligare blir dess rörelser för variationer i densitet. CFD-simuleringarna visar att en densitetssänkning på inloppet på endast 0,3 procent (motsvarande en inte ovanlig temperatursänkning på cirka 3°C), helt kan ändra strömningsmönstret i tanken i upp emot 1 h. Ju långsammare luten rör sig och ju större tanken är – traditionellt bra för såpseparationen – desto känsligare blir strömningen för dessa variationer.

Det finns mer att lösa

CFD-simuleringarna har kastat ljus över flera aspekter av avsåpningen och förbättrat förutsättningarna för att konstruera ett väl fungerande system. Men fortfarande finns ett antal fenomen som behöver studeras närmare för att ge en fullständig bild av avsåpningsprocessen. Framför allt är det storleken på såpdropparna när de strömmar in i tanken som är oklart – och de mekanismer som gör att de agglomererar till större droppar. Samverkan mellan lagret av såpa i toppen av tanken och den strömmande luten under är ytterligare ett område som bör studeras närmare.

Läs hela rapporten ”CFD-simulering av avsåpning” (rapport 1131)

Författare: Per Birkestad, FS Dynamics Sweden AB

Senast uppdaterad fredag 27 maj 2011