بخشی از مقاله
چکیده
مخزن آب بند مایع یکی از مهمترین تجهیزات در شبکه فلر است که از جمله وظایف این مخزن میتوان به جلوگیری از انتقال سیالات از جریان پایین دست به جریان بالادست - جلوگیری از ورود هوا، ایجاد برگشت شعله و ایجاد پس فشار - ، تحت فشار بودن جریان بالا دست و جلوگیری از انفجار اشاره نمود. عدم کارکرد صحیح این تجهیز موجب نوسانی شدن فشار خروجی، آلودگی های زیست محیطی و افزایش احتمال انفجار در شبکه میشود. در مقاله حاضر رفتار جریان دو فازی مایع - گاز درون مخزن آب بند مایع مربوط به شبکه فلر بهصورت عددی با مدل حجم سیال در نرمافزار انسیس ورژن 18، جهت تأثیر ارتفاع آب از خروجی لوله مغروق مورد بررسی قرار گرفته است. با مطالعه نتایج ارتباط مستقیم ارتفاع سطح آب و نوسانات فشار تائید میشود و نشان داده میشود که تنظیم صحیح ارتفاع آب میتواند به بهبود عملکرد سیستم کمک کند.
واژگان کلیدی: جریان دو فازی، فلر، مخزن آببند مایع، مدل چند فازی حجم سیال، شبیه سازی عددی.
.1 مقدمه
واحدهای پتروشیمی و پالایشگاهی با فعالیت خود گازهای سمی از قبیل منواکسید کربن، آمونیا، سولفید هیدروژن و غیره را تولید میکنند که ایجاد این آلایندهها در طول فرآیند واحدهای تولید غیر قابل اجتناب هستند و حذف آن ها در راستای حفظ محیط زیست پاک، از وظایف اصلی واحدهای تولیدی است. چرا که تخریب محیط زیست غیر قابل جبران و هزینه های ناشی از آن قابل تصور نیست.
در پالایشگاه ها و واحدهای پتروشیمی گاز های نا مرغوب و بی مصرف را از طریق خط لوله اصلی فلر به سوی سیستم فلرینگ هدایت میکنند و در آنجا این گاز ها سوزانده میشوند، از روش های سنتی و قدیمی برای سوزاندن گاز فلر استفاده از مشعل با ارتفاع بالا بوده که در واقع ساده ترین و کم هزینهترین روش نیز هست.
در این روش از یک برج بلند به ارتفاع تقریبی 100 تا 150 متر استفاده میشود که سوختن گازها در نوک آن انجام میشود . اگر احتراق در مشعل با ارتفاع بالا کامل باشد، فقط بخارات آب، دی اکسید کربن و دی اکسید گوگرد به عنوان محصولات احتراق تولید خواهند شد اما واقعیت آن است که کنترل احتراق گازها در نوک فلر امکان پذیر نیست و از این رو غیر از ترکیبات مذکور، گازهای دیگری تولید میشوند که برخی از آنها عبارتاند از دوده، بنزن، جیوه، اکسیدهای نیتروژن، دی اکسید کربن، آرسنیک، دی سولفید کربن، کروم، متان، سولفید کربنیل، تولوئن، گاز های اسیدی و هیدروکربنهای آروماتیک چند حلقهای است.
از مهمترین مسائل ایمنی در شبکه فلرها، ایزوله کردن شبکه از محیط خارج از شبکه است. برای این منظور باید احتمال نفوذ هوا به داخل شبکه را کاهش داد. یکی از روشها، مثبت نگهداشتن فشار داخل شبکه میباشد. به همین دلیل از مخزن آببند مایع برای این منظور استفاده میشود. فشار مثبتی که در مخزن آببند مایع ایجاد میشود به دلیل مغروق شدن لوله ورودی گاز به درون آب موجود در مخزن آببند مایع است. هر چه مقدار وارد شدن لوله در آب بیشتر باشد، فشار مثبتی که در شبکه به وجود میآید، بیشتر خواهد بود همچنین نسبت قطر مخزن به قطر لوله ورودی نیز تاثیرگزار میباشد . - API 521, 1997 - از دیگر وظایف این مخزن میتوان به جلوگیری از انتقال سیالات از جریان پاییندست به جریان بالادست - جلوگیری از ورود هوا، ایجاد برگشت شعله و ایجاد پس فشار - ، تحت فشار بودن جریان بالا دست و جلوگیری از انفجار اشاره نمود. مواردی که در ساخت این نوع از تجهیزات استفاده میشود، مورد به مورد متفاوت خواهد بود و ارتباط مستقیم با طراحی این تجهیز دارد. این موارد شامل بافلها، لولههای مشبک و تغییردهندههای جریان می-باشند - . - Shore, 1996 گزینش مناسب آنها در طراحی این مخازن مورد توجه قرار میگیرد. گزینش اشتباه موارد فوق و انتخاب نادرست پایه غوطهور باعث پالسی شدن یا ناپیوستگی شکل 1 فرایند فلرینگ میشود.
شکل :1 نوسانی بودن مشعل
همانطور که اشاره شد نقص تجهیزات تأثیر مستقیم بر عملکرد نادرست سیستم فلر دارد. لوله مغروق ورودی گاز یکی از مواردی است که در طراحی این مخزن از اهمیت بالایی برخوردار است، همچنین پایه غوطهور نیز میتواند در عملکرد سیستم دارای اهمیت باشد. لذا در این مقاله به مدلسازی و شبیهسازی مخزن آب بند مایع و تأثیر ارتفاع آب درون مخزن از خروجی لوله مغروق بر عملکرد سیستم پرداخته شده است. در شکل 2 هندسه مربوط به این مخزن نشان داده شده است.
شکل :2 هندسه مخزن آببند مایع
در دهههای اخیر استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی و نرمافزارهای مربوطه جهت مطالعه بر روی رفتار سیالات مورد توجه قرار گرفته است. در پژوهشی یک مدل سه فازی جامد، مایع و گاز درون یک همزن را بهوسیله مدل حجم سیال در نرمافزار فلوئنت شبیهسازی کردند. نتایج حاصل از شبیهسازی و نتایج آزمایشگاهی بسیار نزدیک به هم بوده است . - Sun and Sakai, 2015 - در پژوهشی با استفاده از مدل حجم سیال در نرمافزار فلوئنت یک گرداب بزرگ را شبیهسازی کردند و فروپاشی گرداب را مورد مطالعه و ارزیابی قرار دادند و دادههای مربوطه در فروپاشی اولیه را استخراج نمود . - Tian et al , 1997 - در پژوهشی جریان دوفازی اسلاگ در کانال افقی با مقطع مستطیلی را به روش حجم سیال در نرمافزار فلوئنت شبیهسازی کردند. شبیهسازی انجام شده قادر به پیشبینی صحیح طول اسلاگ مطابق با آزمایش و مکان ایجاد آن با خطای %22 بوده است. همچنین در مقایسه با تحقیق دیگران، نتایج عددی نشان دهنده بهبود و دقت بالاتر در پیشبینی جریان است - علوی و همکاران، . - 1393 در پژوهشی جریان ورود هوا به مایع را با استفاده از مدل حجم سیال در نرمافزار انسیس فلوئنت شبیهسازی کردند. شبیهسازی جریان در مدل حجم سیال و آزمایشگاه بسیار نزدیک به هم بوده است - . - Eghbalzadeh and Javan, 2014 در پژوهشی به شبیهسازی یک سر ریز با استفاده از مدل حجم سیال در نرمافزار فلوئنت پرداختند. نتایج حاصله اختلاف کمتر از %6 با نتایج حاصل از مطالعات آزمایشگاهی را نشان داد . - Zhenwei and Zhiyan, 2012 - و در پژوهشی دیگر جریان دوفازی گاز - مایع درون یک مخزن مستطیلی را با استفاده از مدل حجم سیال در نرمافزار فلوئنت شبیهسازی کردند و نتایج حاصله از اعتبار قابل قبولی نسبت به دادههای تجربی برخوردار بود . - Ming and Duan, 2010 -
.2 مدلسازی
مدلسازی مخزن آببند مایع به صورت سه بعدی و با لحاظ مدل جریان چند فاز با دیدگاه اولری - اولری و با حل معادلات پایستاری پیوستگی و مومنتم برای دو فاز گاز و مایع صورت گرفته است.
2؛-1 معادله کسر حجمی
که m pq انتقال جرم از فاز q به فاز p و mqp انتقال جرم از فاز p به فاز q است. به صورت پیش فرض ترم منبع S aq در سمت راست معادله - 1 - ، برابر صفر است اما شما میتوانید یک مقدار ثابت یا چشمهی جرمی تعریف شده توسط کاربر را برای هر فاز تعریف کنید. با توجه به تعداد فازها معادلهی کسر حجمی برای یک فاز کمتر حل میگردد و کسر حجمی فاز باقی مانده مطابق با محدودیت زیر محاسبه خواهد شد:
معادله کسر حجمی میتواند هم برای انفصال زمان ضمنی و هم صریح حل شود.
2؛-2 معادله مومنتوم
معادله مومنتوم در سرتاسر دامنه، حل میشود و میدان سرعت حاصل به صورت مشترک در اختیار همه فازها قرار میگیرد. معادلهی مومنتوم نشان دادهشده در زیر وابسته به کسرهای حجمی همه فازها، خواص سیال شامل دانسیته و ویسکوزیته میباشد:
یکی از محدودیتهای تقریب میدان مشترک در حالتی است که اختلاف سرعت زیادی میان فازها وجود داشته باشد، در نتیجه دقت سرعتهای محاسبه شده در نزدیک فصل مشترک میتواند تحت تأثیر قرار گیرد. توجه داشته باشید که اگر نسبت ویسکوزیته بزرگتر از 1103 باشد ممکن است مشکلاتی در همگرایی نیز به وجود آید. طرح CICSAM برای جریانهای با نسبت بالای ویسکوزیته میان فازها مناسب است و حل مسئله با همگرایی ضعیف انجام میشود.
2؛-3 معادله انرژی
معادله انرژی نیز بین فاز به صورت زیر به اشتراک گذاشته میشود:
در مدل حجم سیال انرژی E و دمای T به صورت متغیرهای متوسط جرمی گزارش میگردند:
