بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - 12 جهت طراحی و بررسی عملکرد برج هاي تقطیر با سینی مخروطی چرخان13 کاربرد زیادي پیدا کرده است. در این تحقیق براي اولین بار در ایران افت فشار و طغیان برج SCC در مقیاس پایلوت با استفاده از نرم افزار CFX11 محاسبه شده است. داده هاي افت فشار در شدت جریان هاي مختلف هوا و سرعت هاي چرخشی 500، 1000 و 1500 دور بر دقیقه - - rpm بدست آمده اند. میزان متوسط خطاي نسبی بین مقادیر تجربی و CFD در سرعت چرخشی1000rpm براي افت فشار خشک، دوفازي و طغیان بترتیب برابر 15، 16 و 20% می باشد. نتایج حاصل از شبیه سازي نشان می دهد که با افزایش شدت جریان گاز و زیاد شدن سرعت چرخشی، افت فشار سیستم افزایش پیدا می کند. از نتایج این تحقیق می توان در تخمین پارامترهاي افت فشار، طغیان، راندمان برج و طراحی قطر برج SCC استفاده کرد.
واژههاي کلیدي: برج SCC، CFD، افت فشار خشک و دو فازي، طغیان.
مقدمه
برج هاي از نوع SCC یکی از انواع برج هاي تقطیر سینی دار است.[1] این برج ها به علت افت فشار پایین و زمان ماند کوتاه بطور وسیعی در صنایع غذایی - جداسازي و بازیافت طعم دهنده هاي غذایی - کاربرد دارند.[2] این برج از سینی هاي مخروطی چرخان و ثابت تشکیل شده است. مایع از مخروط هاي ثابت تحت تاثیر جاذبه 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] که در شکل - - 1 نشان داده شده است. در روند توسعه SCC براي عملیات بازیافت اسانس، کازمیر طراحی اولیه را با قرار دادن فین هاي شعاعی در قسمت زیري مخروط چرخان اصلاح کرد.[4] فین ها تا حدي به عنوان پمپ هاي چرخشی عمل می کنند وافت فشار گاز را در طول برج کاهش وکنترل بیشتري از فشار در برج را می دهند. تعداد و طراحی فین ها بر توزیع فشار درون برج تاثیر می گذارند و در جداسازي موثر گاز و مایع مهم می باشند.[5] بالاي سطح سینی ها بوسیله یک لایه نازك از فیلم مایع خیس می شود.[6] مزایاي SCC در مقایسه با برج هاي سنتی عبارتند از: کاهش ماندگی مایع ، کاهش افت فشار، قابلیت چند مرحله اي خوب وقابلیت جهت هدایت مایع با ذرات جامد معلق با نسبت بالا.[7] زیودار و هدایتی در تحقیقی با عنوان تحلیل جریان گاز در برج هاي SCC با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی افت فشار خشک را در مقیاس آزمایشگاهی و سرعت هاي چرخشی500 ، 1000 و 1500 دور بر دقیقه بدست آورده و با نتایج تجربی مقایسه کرده اند.[3]
هندسه و مدل سازي برج
مقیاس برج پایلوت است . در این تحقیق دو سینی ثابت و یک سینی چرخان متصل به شفت بین آنها مورد بررسی قرار گرفته است. براي تولید هندسه برج از نرم افزار تجاري CFX11 استفاده شده است. تعداد کل مش هاي استفاده شده برابر578249 مش می باشد که در شکل - 2 - مدل مش بندي شده را نشان داده شده است. مش هاي استفاده شده از نوع چهاروجهی، هرمی و منشوري به صورت نامنظم14 می باشند که در اندازه 5 میلی متر مستقل می شوند. بدین مفهوم که با کوچکتر شدن سایز مش ها، تغییري در جواب مشاهده نمی گردد که این موضوع را در شکل - 3 - مشاهده می کنید.جریان دو فازي گاز مایع در حالت جریان متقابل در این سیستم استفاده شد. فاز گاز، هوا با چگالی 1/185 kg / m3 و فاز مایع، آب با چگالی 996 kg / m3 می باشد و هر دو فاز در دماي ثابت 25 درجه سانتی گراد در نظر گرفته می شود.
براي جریان سیال در زمینه انتخاب روش ارتباط سرعت – فشار، پیش فرض نرم افزار الگوریتم SIMPLE است که این الگوریتم یک روش حدس وخطا براي محاسبه فشار در سیستم می باشد. در نرم افزار از روش حجم محدود در حل معادلات استفاده می شود.[5]با تعیین مقدار رینولدز ترکیبی براي گاز و مایع بطور می توان رژیم جریان را تعیین نمود. اگر مقدار رینولدز ترکیبی کوچکتر از 1×105 جریان آرام، بین 1×105 و 1×106 جریان آرام موجی - ناپایدار - و بزرگتر از1×106 جریان آشفته می باشد.[8] در تحقیق به عمل آمده پس از محاسبه رینولدز ترکیبی پی می بریم که جریان در هر دو فاز گاز و مایع بصورت آشفته می باشد. براي تحلیل آشفتگی در فاز گاز از مدل k − ε استفاده شده است که در محاسبه مجموعه گسترده اي از جریانهاي لایه برشی نازك و چرخش مجدد کاربرد فراوانی دارد. براي تحلیل آشفتگی در فاز پراکنده مایع از مدل صفر معادله اي یا طول اختلاط فاز پراکنده15 استفاده شده است که براي لایه هاي برشی نازك پیش بینی هاي خوبی ارائه می دهد. مقدار تابع خطا براي حالت خشک برابر10−5 و براي حالت دوفازي برابر 10−6 در نظر گرفته شده است. جهت کمتر شدن زمان همگرایی، محاسبات در حالت پایا انجام شده است. در شبیه سازي بوسیله CFD بر پایه دیدگاه اویلر- اویلر سیستم
