بخشی از مقاله
اثر سرعت سيال سازي بر بستر سيال همراه با نازل هاي پخش کننده : شبيه سازي
چکيده
بسترهاي سيال دو تايي يکي از گزينه هاي مناسب براي فرايندهاي مانند بايومس است . پارامترهاي زيادي بر بستر سيال تاثير ميگذارند که از جمله آن ها مي توان به خوراک ، هندسه ، چرخش مواد در داخل بستر، دما و هيدرو ديناميک مساله اشاره کرد. در اين مقاله نگارندگان به طراحي و شبيه سازي بستر سيال که با شن پر شده است ، هم با نازل و بدون نازل خواهند پرداخت .
همچنين اين بستر را در حالت وجود wind box و بدون wind box شبيه سازي مي نمايند. تمامي اين شبيه سازي ها را در نرم افزار فلوينت و مش بندي ها را در نرم افزار گمبيت انجام گرفتهخ است . در آخر نتايج شبيه سازي را با داده هاي تجربي مقايسه کرده و اين مقايسه در داخل نمودارهايي آورد شده است
کلمات کليدي : فلوينت ، بستر سيال ، نازل ، شبيه سازي
مقدمه
سيال سازي فرايندي است که در آن ذرات جامد با معلق شدن در يک گاز يا مايع به حالت شبه سـيال تبـديل مـي -
شوند. امروزه اين پديده توسعه روزافزوني داشته و جايگزين مناسبي براي بسياري از فرايندهاي قديمي صنعتي بـه شـمار مـي آيـد. امتيازات چشمگير اين پديده که بارزترين آن بالا بودن ميزان انتقال جرم و حرارت و هم دمايي است ، دليل اصلي برتري اين فرايند نسبت به فرايندهاي مشابه است . بسترهاي سيال به جهت آن که زمينه سـاز تمـاس مـؤثر بـين جامـد و سـيال هسـتند در صـنايع شيميايي از اهميت بسياري برخوردارند که کاربرد آن ها در صنايع نفت ، پتروشيمي ، شيميايي ، معدني ، بيوشيميايي ، دارويي ، غـذايي و... بيان گر اين حقيقت است . محدوده وسيع کاربردهاي صنعتي بسترهاي سيال در زمينه هاي ذکر شده زير نيز گوياي لزوم بررسي هرچه بيشتر هيدروديناميک بسترهاي سيال است :[١]
١. موارد پيشرفته : توليد سيليکون براي صنايع نيمه هادي ها و سل خورشيدي ، روکش دار کـردن نـانوذرات و نـانو لوله هاي کربن
٢. صنايع شيميايي و پتروشيمي : شکست هيدروکربن ها، شکست کاتاليزوري در بستر سـيال FCC١،کـک سـازي سيال و کک سازي فلکسي
٣. واکنش هاي پليمري فاز گازي : توليد انيدريک فتاليک ، آکريلونيتريل ، انيدريد مالئيک ، پليمريزاسيون الفين هـا، واکنش فيشر-تروپش ، کراکينگ و ريفرمينگ نفت
٤. احتراق .تجزيه حرارتي : احتراق و گازي سازي ٢ از ذغال سنگ و کک ، گازي سـازي از پـس مانـد جامـد، تجزيـه حرارتي ضايعات چوب ، احتراق مواد شيميايي ، تجزيه سنگ آهک (کلسيناسيون )
٥. عمليات فيزيکي : روکش دار کردن اشيا فلزي با پلاستيک ، روکش کردن اشياء و رشد دادن ذرات ، خشک کـردن مواد جامد، طبقه بندي ذرات ، مبادله حرارت ، جامد سازي يک مذاب جهت ايجاد گرانول ، جذب سطحي ، فيلتراسيون غبار
٦. صنايع دارويي : روکش دار کردن قرص ها، دانه بندي و گرانوله کردن ، توليد سلول هاي گياهي و حيواني [١,٢,٣]
١-١- معرفي بستر سيالي گاز-جامد
مطابق شکل ١-١- الف هنگامي که نيروي پسا٣ کوچکتر از وزن ذرات باشد، ذرات در بستر پر شده ، ثابت ٤ هستند.
وقتي که نيروي پسا بين ذره و سيال برابر و در جهت عکس وزن ذرات شود (شکل ١-١- ب)، نيروي فشاري ناشي از مواد فوقاني ، بين ذرات مجاور از بين رفته و افت فشار در طول هر قسمتي از بستر تقريباً برابر با وزن سيال و ذرات در آن قسمت خواهد شد. در نتيجه ذرات بستر سيال در جريان گاز رو به بالا معلق مي شوند وبا آن حرکت مي کنند.
شکل (١-١) الف ) نيروي پسا کوچکتر از نيروي جاذبه ، ب)نيروي پسا مساوي نيروي جاذبه ، ج) بستر سيالي گاز-جامد[٤]
١-٢- دسته بندي ذرات در بسترهاي سيال
با مشاهده دقيق سياليت انواع اندازه هاي ذرات ، در سال ١٩٧٦، گلدارت ٥ به چهار نوع رفتـار مشـخص از ذرات دسـت
يافت که طبقه بندي آن ها از کوچک به بزرگ مطابق شکل ١-٢ به صورت زير است :
ذرات گروه C: اين گروه از ذرات ، چسبناک و يا به شکل پودرهاي بسيار ريز با اندازه ي حدود μm٣٠-٠ مي باشند.
سياليت معمولي براي اين گونه از ذرات بسيار مشکل است زيرا نيروهاي بين ذره اي بزرگتر از نيروي ناشي از ورود گاز است (مطابق شکل ١-٢) . پودر صورت ، آرد، نشاسته و . . . نمونه هايي از اين گونه ذرات هستند.[٥,٦]
ذرات گروه A: اين گروه از ذرات قابل هوادهي ، يا موادي هستند که داراي يک اندازه متوسط کوچک (μm١٠٠-٣٠) با چگالي پايين ( کمتر از g.cm٣ ١.٤) هستند. نيروي بين ذره اي و نيروي پسا هر دو در سياليت اين ذرات نقش دارند و در دماي بالا نقش نيروهاي بين ذره اي در سياليت بيشتر مي شود. در سرعت هاي پايين گاز اين ذرات به سادگي به حالت سياليت ملايم در مي آيند و در سرعت هاي بالا بسترحبابي کنترل شده با حباب هاي کوچک ايجاد مي کنند. کاتاليزور FCC نمونه اي از اين گونه جامدات مي باشد.
ذرات گروه B: اين گروه از ذرات که شن مانند هستند داراي چگالي g.cm٣ ٤> > ١.٤ و قطر متوسط μm
١٠٠٠-١٠٠ مي باشند. اين ذرات به خوبي همراه با حرکت شديد حبابي سيال مي شوند و حباب ها رشد مي کنند. در دماي محيط نيروي حاصل از ورود گاز بزرگتر از نيروي بين ذره اي است و نقش اصلي در سياليت را ايفا مي کند، به طوري که در معادلات حاکم بر مشخصه هاي بستر در دماي محيط (اندازه حباب ، سرعت حداقل سياليت و حبابي و...) تنها نيروهاي هيدروديناميکي در نظر گرفته شده اند و از نيروي بين ذره اي صرف نظر شده است .
ذرات گروه D: اين گروه از ذرات قابل فوران يا ذرات سنگين و بزرگ با اندازه بيشتر از μm١٠٠٠ هستند و بر اين اساس بسترهاي عميق از اين ذرات به سختي سيال مي شوند. آن ها داراي رفتار نامنظم و غير پيش بيني شده ، همراه با حباب هاي بزرگ منفجر شونده يا کانال هاي منفصل کشيده ، يا داراي رفتاري فوراني هستند. نيروي بين ذره اي در ذرات گروه D بسيار کوچک و همواره قابل صرف نظر است . حبوبات (در فرآيند خشک شدن )، دانه هاي قهوه (در فرآيند تشويه )، تشويه بعضي از سنگ هاي معدني فلزات و . . . متعلق به اين گروه از ذرات مي باشند و اغلب در بسترهاي کم عمق مورد عمل قرار مي گيرند.[٥,٦,٧]
5 Geldart
شکل (١-١) طبقه بندي ذرات گلدارت [٢ شکل (١-٢) انواع ذرات گلدارت [٦]
١-٣- رژيم هاي جريان در بستر سيال
در يک بستر ثابت ، سيال از درون بستر حاوي ذرات ريز و به آرامي از ميان فضاهاي خالي بين ذرات عبور مي کند. با تغيير سرعت ظاهري گاز در بستر، الگوهاي مختلفي از جريان بدست خواهد آمد که به ترتيب با افزايش تدريجي سرعت گاز به صورت ارائه شده در شکل (١-٣) است . در جدول (١-١) هر کدام از اين رژيم ها به طور مختصر توضيح داده شده است .[٨,٩]
شکل (١-٢) رژيم هاي مختلف سياليت در بستر سيال [٨]
جدول (١-١) معرفي رژيم هاي جريان و محدوده سرعت هر رژيم
شبیه سازي
در این پروژه ما به شبیه سازي یک بستر سیال شده در سرعت هاي کم ، متوسط و زیاد در حالت هاي با نازل و بدون نازل پرداختیم . این بستر داراي جامد هاي شن با ارتفاع 0,6 متر است که این ذرات داراي چگالی 2644 کیلوگرم بر متر مکعب است . و چگالی توده ذرات شن 1281 است . سیال ما گاز است و جنس آن هوا است . قطر متوسط ذرات شن در حدود
250 میکرو متر است . براي شبیه سازي چند فرض داریم : -1 ورودیه بیو گاز به بستر نداریم -2 بازگردانی مواد داخل بستر نداریم
3-همچنین دماي بستر در دماي 25 درجه ثابت است . همچنین فشار بستر در 1,09 اتمسفر ثابت شده است . همانطور که گفتیم این
بستر در دو حالت با نازل و بدون نازل که می توان هندسه آن را در شکل زیر مشاهده نمود.
در شکل بالا نازل هایی که مشاهده می شود سه بعدي است شبیه سازي ما در محیط دو بعدي انجام شده است براي این منظور ما چون در سه بعدي هر نازل داراي 6 سوراخ است و در دو بعدي هر نازل داراي 2 سوراخ است ، براي اینکه دبی عبوري از نازل ها برابر گردد ما قطر این نازل ها را تغییر دادیم .
نتایج شبیه سازي در حالت دو بعدي براي بستر به همراه نازل و بستر بدون نازل و wind box در شکل هاي زیر آورده شده است .
