بخشی از مقاله
چکیده:
در تحقیق حاضر شبیه سازی عددی احتراق در کوره های الفین با استفاده از نرم افزار فلوئنت و به کمک مدل های تابش P1 و مدل آشفتگی k-e استاندارد انجام گرفته است. مدل سازی با هدف بررسی اثر نوع نازل های پاشش سوخت و زاویه تزریق سوخت بر دمای پوسته تیوب ها و اثر آن بر میزان تولید آلاینده های زیست محیطی صورت گرفته است.
نتایج نشان دهنده تطابق بسیار خوب داده های شبیه سازی با داده های عملیاتی واحد داشته و در *بهینه سازی سیستم از نتایج آن می توان بهره برد . درشرایط کنونی عملکرد کوره مشکلی از نظر پارامترهای آلایندگی زیست محیطی موجود نبوده ولی با توجه به نحوه پاشش سوخت از نازل ها توزیع غیر یکنواخت در سطح تیپ برنرها مشاهده می گردد که به منظور کاهش هزینه های تعمیراتی نیاز به تغییر و اصلاح آنها ضروری به نظر می رسد.
.1 مقدمه
در واحد الفین، خوراک گازی و مایع برای عملیات کراکینگ وارد کوره میشوند. این کورهها دارای انواع خوراک بوده و دارای آرایش های کویل و تیپ مشعل های متفاوت میباشند. خوراک ورودی به کوره توسط شعلههای بلند که در کف و یا دیوارههای جانبی قرار گرفتهاند حرارت میبیند. در فرآیند شکست حرارتی برای تولید محصول مورد نظر، مدت زمان اقامت بهینه و پروفایل دمایی مناسب بایستی روی لولههای راکتور برقرار شود. با توجه به اینکه عملیات کراکینگ در دمای بالا و در حدود 800 الی 900 درجه سانتیگراد انجام میپذیرد افزایش بازده حرارتی این کوره ها حائز اهمیت می-باشد.
تحقیقات در زمینه بهبود تکنولوژی های موجود عمدتاً با هدف افزایش راندمان تولید از طریق توزیع یکنواخت فلاکس حرارتی در سرتاسر کوره، کاهش مصرف سوخت و کاهش تولید آلاینده ها انجام می گیرد.[ 1-2] در این خصوص عوامل متعددی نظیر محل قرار گیری مشعلها، نوع مشعلها، درصد تزریق هوای اضافی، میزان و نحوه تزریق سوخت به داخل کوره، بازگردش گازهای حاصل از احتراق به منطقه واکنش و پیش گرم کردن هوای ورودی توسط گازهای حاصل از احتراق از اهمیت ویژهای برخوردار هستند.
برای مثال، پیشگرمکردن سوخت و اکسیدکننده ورودی به کوره توسط انرژی موجود در گازهای حاصل از احتراق یکی از رایج ترین روش ها جهت افزایش راندمان حرارتی کورهها است. اما مهمترین اشکال این روش افزایش حداکثر دمای شعله و در نتیجه افزایش تولید آلایندهها میباشد.[3] بنابراین، جهت استفاده مناسب از این روش بایستی دمای بهینه پیش گرم کردن جهت افزایش راندمان حرارتی و عدم افزایش تولید آلایندهها تعیین گردد. برای انجام این مهم، بایستی مدل های محاسباتی دقیقی از میدان های دما، سرعت و غلظت اجزا در سرتاسر کوره تولید شوند تا در ادامه جهت بررسی شرایط عملیاتی مختلف در کوره مورد استفاده قرار گیرند.
نتایج بررسی های متعدد نشان میدهد که دمای اندازهگیری شده واقعی سطح کوره و کویل در اکثر نقاط بسیار بیشتر از میزان طراحی است. این عامل منجر به گرم شدن بدنه کوره و کویل شده و در نهایت موجب خم شدن دیوارهها و افزایش سرعت خوردگی و خرابی قسمت های مختلف کوره میشود. بنابراین یکی از مواردی که مدل محاسباتی توسعه داده شده قادر به پیش بینی آن میباشد طول شعله مشعل با توجه به شرایط کارکردی می باشد. در اکثر تحقیقات قبلی چنین نتیجه گرفته شده که بهترین حالت کاری مشعل زمانی است که شعله تا 3/4 طول کوره ادامه پیدا نکند چرا که افزایش طول و برخورد با بدنه کوره و تیوب ها باعث افزایش دمای بدنه کوره و کویل شده و باعث تخریب و کاهش طول عمر میشود.
.2 مدلسازی عددی
هندسه مورد مطالعه شامل کوره و مشعل حاوی لوله تزریق گاز با تیپ برنر نصب شده روی آنها و ورودی هوا، محفظه احتراق و بخشی از دودکش کوره میباشد. شبکهبندی هندسی در نرمافزار Gambit 2.4.16 و مدلسازی در Ansys Fluent 13 انجام شده است. هندسه از 6200000 سلول محاسباتی تشکیل شده با مدل Tet/Hybrid می باشد. در شبکه بندی سیستم سعی گردیده تا حد امکان از شبکه های ساختار یافته استفاده گردد و تنها در نواحی تیپ برنرها و تیوب ها از ساختار مش نامنظم بهره گیری شده است.
در نواحی اطراف تیپ برنر و منطقه اشتعال شبکهها ریزتر از قسمتهای دیگر میباشد. در ابتدا تعداد مشها 7800000 عدد انتخاب شده بود که پس از تست استقلال از شبکه بر روی مدل، تعداد شبکه در مدل نهایی به 6200000 کاهش یافته است. بعد از ساختن هندسه در پیشپردازنده گمبیت و مش-بندی مطابق شکل 3 و تعریف هر کدام از شرایط مرزی، فرایند احتراق در نرمافزار فلوئنت تعریف شدهاست. دمای دیوارهها در مشعل و کوره 1100 کلوین و ضریب نشر دیوارها 0/6 در نظر گرفتهشدهاست.
معادلات ضمنی* پیوستگی، ممنتم، انرژی و تشعشع، با مدل آشفتگی -k استاندارد بطور همزمان حل شدهاست. بهطور معمول مدلسازی آشفتگی در مسائل احتراق توسط معادلات متوسط رینولدز نویر-×استوکس صورت میگیرد. این روش فرض میکند متغیرهای جریان به دو قسمت میانگین و نوسانی تجزیه شدهاست. این مدل به دلیل سادگی و توصیف قابل قبول رفتار آن بهصورت موفقیتآمیزی در بسیاری از مسایل کاربردی احتراق بهکار گرفته میشود.
برای تعریف شرایط احتراق از مدل احتراق از پیش اختلاط نیافته و مدل شیمی تعادلی استفاده شدهاست. دمای ورودی سوخت و اکسیدکننده 300 درجه کلوین میباشد. ترکیب گاز مورد استفاده که شامل گازهای متان، اتان، پروپان و نیتروژن و دیاکسید کربن مطابق جدول 1 میباشد و در جدول PDF * تکمیل شدهاست. فلوئنت دانسیته، دما، کسر جرمی ذرات و انتالپی را از جدول PDF برای فشارهای مختلف عملیاتی سیستم فراخوانی و بهروز میکند. شرایط مرزی برای تمامی مرزهای ورود و خروج سیستم از جمله دبی سوخت و هوای ورودی و دمای دیوارهها با توجه به سیستم واقعی تعریف شدهاست. بعد از تعریف تمامی موارد فوق برنامه اجرا شده و نتایج بهدست آمده است
جدول :1 ترکیب گاز مصرفی
.3 هندسه سیستم:
شماتیک کلی کوره الفین در شکل 1 نشان داده شده است. همچنین نمایی از برنرهای جانبی و کفی مورد مطالعه در کوره، مدل های تهیه شده از کوره و برنرها و نازل های تزریق سوخت در نرم افزار گمبیت و همچنین هدرهای توزیع سوخت در برنرها به ترتیب در شکل های 2 الی 9 نشان داده شده است.
شکل:1 شماتیک کلی کوره از نمای جانبی
