بخشی از مقاله
چکیده
امروزه دینامیک سیالات محاسباتی جهت طراحی و بررسی عملکرد برج هاي سینی دارمخروطی چرخان - SCC - کاربرد وسیعی یافته است. - SCC - ، یک دستگاه مجاور کننده گاز _ مایع است جریان گاز و مایع به صورت متقابل می باشند. از این دستگاه به عنوان جایگزین دستگاه هاي تقطیر قدیم در صنایع غذایی استفاده می شود. برج استفاده شده در این تحقیق در مقیاس تجاري بوده و افت فشار سیستم تک فازي هوا ، مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه سازي توسط نرم افزار تجاري CFX-11 انجام شده است.
این مدل، شامل یک سینی چرخان و دو سینی ثابت در بالا وپایین آن می باشد که درحالت سه بعدي مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به مقدار عدد رینولدز در این برج جریان سیال به صورت آشفته در نظر گرفته شده است. محاسبات در حالت پایا بررسی شده است. داده هاي افت فشار در سرعت چرخشی 500 دور بر دقیقه بدست آمده و با نتایج تجربی مقایسه شده اند. همچنین نتایج حاصل از شبیه سازي براي سه سرعت چرخشی مختلف با هم مقایسه شده است.
نتایج حاصل از CFD حاکی از این است که با افزایش دبی هوا افت فشار در کل برج افزایش می یابد. شبیه سازي براي سه دبی مختلف از گاز صورت گرفته است. مینیمم مقدار افت فشار در سرعت چرخشی 500 دور بر دقیقه مربوط به دبی 0/1 - 3 m/s - برابر 156 - pa - و ماکزیمم مقدار آن مربوط به دبی 0/28 - 3 m/s - که برابر 450 - pa - می باشد. میانگین درصد خطاي نسبی در مقایسه با داده هاي تجربی در حدود%20می باشد.
مقدمه
برج هاي SCC یکی از انواع برج هاي تقطیر سینی دار است.[1] این برج ها به علت افت فشار پایین و زمان ماند کوتاه بطور گسترده اي در صنایع غذایی - جداسازي و بازیافت طعم دهنده هاي غذایی - کاربرد دارند و پیش بینی می شود در آینده اي نه چندان دور از این برج ها در صنایع نفتی نیز استفاده خواهد شد.[2] این برج از مخروط هاي چرخان و ثابت تشکیل شده است - شکل. - 1 مایع از مخروط هاي ثابت تحت تاثیر جاذبه زمین پایین می آید و بوسیله نیروي گریز از مرکز از مخروط هاي چرخنده بالا می رود. بخار از فاصله بین مخروط هاي ثابت و چرخنده عبور کرده وبه صورت نا همسو نسبت به مایع بالا می رود.
[3]براي فرایند بازیافت اسانس،Casimirبا قرار دادن فین هایی در زیر سینی مخروطی چرخان شکل جدیدي از این برج ها را طراحی نمود .[4] ساختاراین فین ها موجب توزیع مناسب افت فشار و جداسازي موثر گاز و مایع درون برج می گردد. .[5] کاهش ماندگی مایع - زمان کوتاه باقی ماندن مایع - ،کاهش افت فشار،قابلیت چند مرحله اي خوب و قابلیت بالا جهت هدایت مایع با ذرات جامد معلق، از مزایاي این گونه برج ها به شمار می آیند.
[6]از سال1995 براي درك شرایط فیزیکی موجود در برج و مدل ریاضی مناسب براي عملکرد برج تحقیقاتی صورت گرفت که نتیجه آن،بدست آوردن اولین مدل دینامیک سیالات CFD براي این برج شد.[7]که عبارتند از: آنالیز CFD برج هاي سینی دار چرخان : پیش بینی جریان گاز ناپایدار و افت فشار در یک برج خشک [5]، بررسی پارامتر انتقال جرم در برج هاي سینی دار چرخان بوسیله [8] CFD ، بررسی اجراي انتقال جرم و ظرفیت ستون هاي چرخشی مخروطی با استفاده از [9]CFD، در این تحقیقات مدل مورد بررسی در مقیاس آزمایشگاهی بوده و با استفاده از نرم افزار CFX در دانشگاه سیدنی استرالیا انجام شده است، همچنین تحلیل جریان گاز در برج هاي SCC با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در دانشگاه سیستان و بلوچستان انجام شده است.
[10] مدل مورد بررسی در مقیاس آزمایشگاهی و در حالت دو بعدي بوده، که براي بدست آوردن نتایج دقیق تر سه مرحله از ستون را در نظر گرفته و افت فشار در مرحله میانی محاسبه شده است. همچنین در دانشگاه سیستان و بلوچستان بررسی افت فشار خشک و دو فازي براي برج پایلوت با استفاده از نرم افزار CFX انجام شده[11] و در همان سال راندمان انتقال جرم براي برج تقطیر با سینی مخروطی چرخان بوسیله آنالیزCFD در مقیاس پایلوت انجام شد.[12] در کار حاضر به بررسی افت فشار خشک و تاثیر سرعت چرخش سینی روي تغییرات فشاربراي برج SCC در مقیاس تجاري - - DC=.81m پرداخته شده است. در شکل 1 مسیر جریان گاز و مایع در این برج و در شکل 2 مختصات هندسی یک مرحله از برج نشان داده شده است.
هندسه و مدل سازي برج
نرم افزار تجاري مورد استفاده براي تولید هندسه برج، نرم افزار Ansys Workbench میباشد. مش هاي استفاده شده از نوع چهاروجهی نا منظم - - Unstructure با تعداد 501065 وبه اندازه 13میلی مترمی باشند. مقیاس برج از نوع تجاري است . پارامترهاي هندسی برج درجدول 1 آورده شده است. تعداد مراحل برج یک جفت سینی مخروطی بوده که شامل یک سینی ثابت و یک سینی چرخان است.
سیال ورودي به مدل هوا در دماي 25 درجه سانتی گراد است و جریان سیال درون برج در حالت آشفته در نظر گرفته شده که در این حالت براي دبی هاي کم تا متوسط گاز از مدل k-ε استفاده می شود اما براي دبی هاي بالاتر این مدل مقادیري دور از واقعیت را پیش بینی می نماید و براي این دبی ها از مدلRNG k-ε که براي محاسبات جدایش جریان مناسب تر از مدل k-ε می باشد استفاده شده است. به طور کلی مدل k-ε روي عملکردهایی که بر روي انرژي جنبشی آشفته اثر می گذارند متمرکز شده است. در زمینه انتخاب روش ارتباط سرعت – فشار، پیش فرض نرم افزار CFX الگوریتم SIMPLE است که این الگوریتم یک روش حدس وخطا براي محاسبه فشار در سیستم می باشد. در نرم افزار CFX از روش حجم محدود در حل معادلات استفاده می شود.[5] مقدار تابع خطادر این تحقیق برابر 10−5در نظر گرفته شده است.
