Towards Modeling Phosphate Slurry Flow Using CFD technique
Vers une modélisation de l'écoulement des suspensions de phosphate à l'aide de la technique CFD
Résumé
The transportation of slurries through pipelines is widely used in various industries due to its high efficiency and en- vironmentally friendly nature. This is particularly true for the transportation of raw phosphate, which is conveyed from extraction points to fertilizer processing plants. To design effective slurry pipeline systems, it is essential to have a thor- ough understanding of the specific physical features of slurry transport and to be able to predict the physics of the slurry flow. In recent years, Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a commonly-used approach due to the technical and economic burden of experimental tests, and the limited generalizability of many simplified physically-based models. The aim of this thesis is twofold. Firstly, it aims to develop a generalized slurry flow model using CFD to improve our un- derstanding of phosphate slurry flow and approach it through direct numerical simulation. The two-fluid CFD models are the only possible way to simulate dense slurry flows, however, simulating real slurry pipe flows is challenging due to their high computational costs. Therefore, developing surrogate models can be useful in operations simulation and monitoring tools. A new two-phase pressure drop correlation based on numerical computations is proposed, and its performance is assessed via comparisons with experimental data from the industrial plant. Secondly, careful calibration of several physical parameters and their interplay to minimize energy losses is crucial to optimize and secure pipeline operations. Moreover, numerical solutions for slurry flows are frequently subject to uncertainties arising from the initial and boundary conditions in the mathematical models employed. In this study, polynomial chaos expansions (PCE) are proposed to estimate the uncertainty inherent in the desired slurry flow and perform a sensitivity analysis of flow energy efficiency. This comprehensive analysis that addresses uncertainty quantification (UQ) and sensitivity analysis (SA) is essential to improve prediction reliability. The findings reveal that variations in slurry velocity and particle size play a pivotal role in determining energy efficiency. Therefore, controlling these factors represents a critical step in ensuring the efficient and safe transportation of slurry through pipelines.
Le transport de boues par pipelines est une méthode courante dans diverses industries en raison de son efficacité et de son caractère écologique. Cela est particulièrement vrai pour le transport de phosphate brut, qui est acheminé des sites d’extraction vers les usines de transformation en engrais. Pour concevoir des systèmes de canalisation de boues efficaces, il est essentiel de comprendre les caractéristiques physiques spécifiques du transport des boues et de pouvoir prédire la dynamique de l’écoulement des boues. La dynamique des fluides numérique (CFD) est devenue une méthode largement utilisée dans les industries pour éviter les coûts et les contraintes techniques des essais expérimentaux, ainsi que les limitations des modèles simplifiés basés sur la physique. Cette thèse a un double objectif. Premièrement, elle vise à développer un modèle généralisé d’écoulement des boues à l’aide de la CFD pour améliorer notre compréhension de l’écoulement des boues de phosphate et essayer de l’approcher par le biais d’une simulation numérique directe. Les modèles CFD bi-fluides sont le seul moyen possible de simuler les écoulements de boues denses, mais leur simulation est difficile et coûteuse. Par conséquent, le développement de modèles de substitution peut être utile pour la simulation et le contrôle des opérations. Une nouvelle corrélation de la perte de charge pour les écoulements solide-liquide basée sur des calculs numériques est proposée, et sa performance est évaluée par des comparaisons avec des données expérimentales provenant de l’industrie OCP. Deuxièmement, un calibrage minutieux des paramètres physiques est crucial pour optimiser l’exploitation des pipelines, et les simulations numériques peuvent être sujettes à des incertitudes. Dans cette étude, des expansions polynomiales du chaos (PCE) sont proposées pour estimer l’incertitude inhérente à l’écoulement de la boue et effectuer une analyse de sensibilité de l’efficacité énergétique. Les résultats soulignent l’importance de la vitesse de la boue et de la taille des particules dans l’efficacité énergétique, ce qui montre la nécessité de contrôler ces facteurs pour assurer un transport sûr et efficace de la boue dans les pipelines.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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