بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی روشهای متفاوت تعریف کاتالیست در شبیهساز کامسول بهمنظور بررسی هیدرودینامیک و انتقال حرارت در یک راکتور بستر ثابت
چکیده:
راکتورهای بستر ثابت نقش بسزایی در تولید محصولات شیمیایی صنعتی در مقیاس بالا دارند. راکتورهای بستر ثابت بدلیل ویژگیهای خاصی که دارند امکان بهره برداری بهتر جهت رسیدن به میزان بیشتری از محصولات را مهیا میکنند. ضمن اینکه کنترل راکتورها در حالتی که بسترشان ثابت باشد، آسان تر است. یکی از چالشهایی که بر سر راه شبیهسازی راکتورهای بستر ثابت وجود دارد، شبیهسازی بستر کاتالیستی راکتور است. بطوریکه برخی محققان استفاده از مدل متخلخل نرم افزارهای تجاری را که در آن دیگر نیازی به تولید بستر آکنه و مش زدن آن نیست، ترجیح میدهند. پژوهش حاضر به بررسی هیدرودینامیک و انتقال حرارت راکتور بستر ثابت یک بار با تولید کاتالیستهای بستر و یک بار با استفاده از مدل متخلخل نرم افزار کامسول میپردازد. نتایج نشان میدهد که برای راکتور با دمای 600 کلوین و سیال ورودی 480 کلوین، بیشترین میزان اختلاف دما بین دو حالت به حدود 18 درجه میرسد. به عبارت دیگر از مقایسه داده های عددی می توان نتیجه گرفت که استفاده از مدل متخلخل کامسول به جای تعریف فیزیکی کاتالیست در راکتور دقت پایین تری دارد؛ لکن زمان و هزینه محاسبات کمتر خواهد بود.
کلمات کلیدی: راکتور بستر ثابت، کاتالیست، شبیهسازی، مدل متخلخل کامسول، هیدرودینامیک، انتقال حرارت.
1 مقدمه
راکتورهای بستر ثابت مهمترین و رایج ترین نوع راکتورها در تولید محصولات شیمیایی صنعتی در مقیاس بالا هستند. در سال های اخیر راکتورهای بستر ثابت بیش از پیش برای جداکردن مواد سمی و خطرزا مورد استفاده قرار گرفته اند. از جمله آنها می توان به جدا کردن اکسیدهای نیتروژن از گازهای فلو اشاره کرد.
بطورکلی در عمل پیکربندیهای متفاوتی برای راکتورها پیشنهاد شده است که در یک طبقه بندی کلی میتوان آنها را به راکتورهای آدیاباتیک و غیرآدیاباتیک تقسیم کرد. روشهای آنالیز راکتورها هم میتواند متفاوت باشد: از بررسی های میکروسکوپی گرفته که در آن واکنشها و نفوذ مطالعه می شود تا روشهای ماکروسکوپی که در آن هندسه و مشخصات بستر راکتور از طریق پدیدههای انتقال بررسی می شود .[1]
راکتور بستر ثابت بدلیل ویژگی های خاصی که دارد امکان بهره برداری بهتر جهت رسیدن به میزان بیشتری از محصولات را مهیا میکند. ضمن اینکه کنترل راکتور در این حالت یعنی زمانیکه که بستر آن ثابت باشد، آسان تر می باشد. بطور کلی، در راکتورها جریان گاز-جامد، انتقال حرارت و واکنشهای محصولات با یکدیگر مرتبط هستند و همزمان اتفاق میافتند. در حال حاضر، بررسیهای تجربی دقیق و جزیی بر روی راکتورها چالشی بزرگ است؛ زیرا شناسایی هیدرودینامیک و واکنشهای مواد واکنش دهنده و محصولات نهایی آنها مستلزم تجهیزاتی است که در حال حاضر در دسترس نیستند .[2] بنابراین دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) بعنوان ابزاری سودمند در صنایع پتروشیمیایی جهت شناسایی هیدرودینامیک سیستم بکار میرود. بر همین اساس، چانگ و همکاران[3] 1 برای بررسی و هیدرودینامیک و واکنش شکست در یک رایزرFFC 2، از مدل سیال دو گانه در چارچوب دیدگاه اویلری برای شبیهسازی بستر سیال گاز – جامد استفاده کردند و در نهایت نتیجه گرفتند که بکارگرفتن دینامیک سیالات محاسباتی نه تنها سبب صرفهجویی در هزینه و زمان میشود؛ بلکه امکان درک و پیشبرد فرآیند را افزایش میدهد. بهجت3 و همکاران [4] نیز با تحلیل هیدرودینامیک و انتقال حرارت یک واکنش سه فازی با بکارگیری دینامیک سیالات محاسباتی نتیجه گرفتند که بکارگرفتن دینامیک سیالات محاسباتی نه تنها باعث درک برهمکنش بهتر بین فازها میشود؛ بلکه پیشبینیهای منطقی و قابل قبولی را از فرآیند ارائه میدهد. همچنین چنگ4 و همکاران [5] با بکارگیری CFD، هیدرودینامیک و واکنشهای سینتیکی را در یک راکتور بستر سیالی MTO بررسی کردند. نتایج نشان داد که مقادیر سرعت، کسر حجمی و غلظت گونهها در راستای محوری و شعاعی راکتور MTO متفاوت هستند. علاوه بر آن، سالاری5 و همکاران [6] بر روی کاربرد مدلسازی CFD راکتورهای کراکینگ کاتالیستی بستر ثابت بر اساس معادلات اویلری تمرکز کردند. برای این کار آنها ستونی را متشکل از ذرات کروی ثابت با استفاده از نرم افزارهای تجاری تولید نمودند. برای کوپل کردن معادلات مربوط به فشار و معادلات مربوط به سرعت الگوریتم سیمپل6 را بکار گرفتند. آنها پارامترهای سینتیکی مربوط به واکنش ها را با استفاده از مقادیر گزارش شده در پژوهش های پیشین بدست آوردند و در نهایت اثر کسر بخار آب و سرعت جریان خوراک را بر تشکیل کک بررسی نمودند.
یکی از چالشهایی که بر سر راه شبیهسازی راکتورهای بستر ثابت وجود دارد، شبیهسازی بستر کاتالیستی راکتور است؛ بطوریکه برخی محققان استفاده از مدل متخلخل نرم افزارهای تجاری را که در آن دیگر نیازی به تولید بستر کاتالیستی و مش زدن آن نیست، ترجیح میدهند. استفاده از این روش این امکان را فراهم میکند که زمان و هزینه محاسبات تا حد بالایی کاهش پیدا کند. اما به دقت نتایج عددی حاصل از این روش توجه کمتری شده است. باتوجه به موارد ذکر شده، هدف از این پژوهش بررسی اثر بستر کاتالیستی بر هیدرودینامیک انتقال حرارت راکتور بستر ثابت یک بار با تولید و مش زدن کاتالیستهای بستر با استفاده از نرم افزار کامسول بار دیگر با استفاده از مدل متخلخل نرم افزار کامسول است تا در نهایت بتوان میزان نزدیکی جوابهای حاصله را نسبت بهم سنجید. لذا با استفاده از مشخصات یک راکتور آزمایشگاهی موجود، شبیهسازی راکتور بستر ثابت به دو صورت ذکر شده در فوق انجام شد. یکی استفاده از مدل متخلخل کامسول که در این مدل دیگر نیازی به ایجاد محیط متخلخل ناشی از حضور کاتالیستها نیست و تنها طراحی راکتور کفایت می کند و سایر کمیت ها از جمله میزان تخلخل ناشی از حضور کاتالیست ها، اندازه کاتالیست ها و ... را می توان با استفاده از این مدل وارد نمود (روش اول). مدل شبیه سازی دیگری هم که در این تحقیق نشان داده خواهد شد، با در نظر گرفتن تمامی کاتالیستها و تخلخل ناشی از آنها در هندسه تولید شده و نحوه چینش آنها میباشد (روش دوم).
2 معادلات اساسی حاکم بر فرآیند
در این پژوهش، به منظور شبیهسازی فرآیند فیزیکی باید معادلات اساسی حاکم بر سیستم را با وارد نمودن فرضیات لازم در نظر گرفت .[7] معادلات اساسی در نظر گرفته شده به شرح زیر می باشند:
1-2 معادله انتقال مومنتوم
در این تحقیق، برای در نظر گرفتن تغییرات مومنتوم و سرعت از معادله زیر استفاده شد :[9 ,8]
که در این معادله ، u، t، p، µ وF بهترتیب بیانگر چگالی سیال، سرعت سیال، زمان، فشار، ویسکوزیته و نیروی حجمی هستند.
2-2 معادله پیوستگی
معادله پیوستگی نیز بدین صورت تعریف میشود :[10-8]
3-2 معادله انتقال حرارت
با توجه به هندسه در نظر گرفته شده دو نوع انتقال حرارت وجود خواهد داشت که یکی انتقال حرارت جابجایی در سیال درون راکتور است و دیگر نیز انتقال حرارت هدایتی است که در دیواره جامد راکتور رخ میدهد. بر این اساس معادله اساسی انتقال حرارت در سیال موجود راکتور بصورت زیر است :[11 ,8]
در معادله بالا Cp، T و k به ترتیب بیانگر ظرفیت گرمایی حرارتی سیال، دمای سیال و ضریب هدایت گرمایی سیال هستند.
3 روش عددی
برای انجام شبیه سازی و همچنین تولید هندسه از نرم افزار Comsol 5 استفاده شد. بدین منظور با توجه به راکتور آزمایشگاهی موجود، راکتوری بطول 600 میلی متر و قطر 10/7 میلی متر تولید شد. لازم به ذکر است که از ضخامت راکتور بدلیل آنکه در انتقال حرارت تاثیر بسیار ناچیزی دارد، صرف نظر شد. شکل 1 (الف) مش ایجاد شده برای راکتور بستر ثابت به منظور استفاده از مدل متخلخل کامسول را نشان میدهد. شکل 1 (ب) نیز بستر کاتالیستی ایجاد شده را نمایش میدهد. لازم به ذکر است که برای ایجاد بستر کاتالیستی 100 گرم کاتالیست کروی با قطر 1/1 میلیمتر و چگالی 690 کیلوگرم بر متر مکعب درنظر گرفته شد.
