بخشی از مقاله
چکیده:
در این تحقیق توسط روش عددی حجم محدود شبیه سازی یک ستون دو فازی گاز- مایع در حالت دو بعدی توسط نرم افزار فلوئنت انجام شده است . در این ستون دوفازی یک گرمکن در قسمت مرکزی طراحی شده است که با شار حرارتی ثابت عامل انتقال حرارت می باشد . آب به عنوان فاز پیوسته درون برج ساکن است و هوا به عنوان فاز پراکنده از پایین وارد ستون می شود . شبیه سازی برای حالاتی که طول گرمکن و سرعت ورودی گاز تغییر می کند انجام شده است که هدف بدست اوردن مقادیر بهینه برای این پارامترها بر اساس اندازه گیری ضریب متوسط انتقال حرارت و یافتن مقدار ماکزیمم آن بوده است . نتایج حاصل در روشن شدن الگوی جریان دو فازی در ستون های حبابکار و طراحی این ستونها مفید می باشند.
مقدمه
ستون های دوفازی حباب مایع تجهیزاتی برای انجام فرایندهای انتقال جرم و واکنش شیمیایی می باشند که در آن ها گاز از درون ستون حاوی مایع عبور می کند و فاز گاز مقداری در فاز مایع حل می شود. در مواردی که فرآیند مورد نظر نیاز به نرخ انتقال جرم، مساحت فصل مشترک و میزان آشفتگی بالا داشته باشد، ستون های دوفازی حباب مایع گزینه مناسبی می باشند .راکتور حبابی تجهیزات مکانیکی نظیر همزن ندارد و گاز بدون هیچ گونه واسطه ای درون مایع توزیع می شود . بنابراین، مشکلات آب بندی سیستم را کاهش داده و راکتور می تواند در شرایط عملیاتی دما و فشار بالا کار کند .
راکتور حبابی در دو زمینه طراحی و شرایط عملیاتی نسبت به سایر راکتورها برتری دارد. بزرگترین مزیت این راکتورها این است که ضریب انتقال جرم وحرارت در آنها بسیار بالاست. این نوع راکتور، سازگارترین راکتور موجود است که به دلیل هزینه ساخت پایین نسبت به سایر راکتورها ، می توان در اندازه های بزرگ هم از این راکتور سود جست .
در این ستون ها نحوه حرکت فازها وچرخش مایع درون سیستم ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد و باعث توزیع یکنواخت دما در ستون می گردد . این ویژگی برای واکنش هایی که به شدت گرمازا می باشند به ویژه واکنش هایی که در آنها گزینش پذیری به شدت وابسته به دما است بسیار حایز اهمیت می باشد]ٌ.[ ستون دوفازی حباب مایع 5 در ساده ترین شکل، ستونی استوانه ای است که در قسمت زیرین آن توزیع کننده گاز قرار گرفته است . گاز به صورت حباب هایی درون مایع یا مخلوطی از مایع و جامد که بصورت ناپیوسته درون ستون قرار گرفته اند، تزریق می شود .
این راکتورها در صنایع شیمیایی شامل فرایندهای اکسیداسیون، کلراس یون، الکیلاسیون، پلیمریزاسیون،
هیدروژناسیون هم چنین سنتز سوخت ها با استفاده از فرایند تبدیل سوخت ها و فرایندهای بیوشیمیایی نظیرفرمانتاسیون و فرایند تصفیه بیولوژیکی فاضلاب ها کاربرد دارند.تولید آنزیم ها، پروتئین ها و آنتی بیوتیک ها در بیوراکتورهای دوفازی حب اب مایع صورت می گیرد .برخی از عملیات های شناخته شده شیمیایی نظیر فرایند مشهور فیشر- تراپش نیز در این ستون ها انجام می گیرد.
جریان در ستون های دوفازی حباب مایع چرخش موضعی دارد . با توجه به نوع ر ژیم جریان - همگن- ناهمگن - ونحوه ورود گاز به ستون، فاز مایع که بصورت ثابت در سیستم قرار گرفته است، در بخشی از ستون به سمت بالا و در نزدیکی دیواره ها به سمت پایین حرکت می کند.حرکت مایع به سمت بالا به دلیل سرعت رو به بالای گاز، هم چنین حمل مایع توسط گاز صورت می گیرد . این حرکت باعث ایجاد حرکت چرخشی موضعی درستون می شود . تعدادی از الگوهای حرکت مایع و گاز در ستون های دوفازی حباب مایع در شکل - ٌ - آمده است.
شکل - 1 - : مدل های چرخش مایع در ستون حبابکار
دینامیک سیالات محاسباتی
در یک تعریف کلی میتوان CFD را ابزاری دانست که با یاری گرفتن از تمامی روشهای محاسباتی و عددی گوناگون اعم از اختلاف محدود ، المان محدود و حجم محدود در حل معادلات بقاء و انتقال حاکم بر عملکرد سیستم ها ، به بررسی و تحلیل سیستم های شامل جریان سیال ، انتقال حرارت ، انتقال جرم و پدیده های همراه، نظیر واکنش های شیمیایی می پردازد . CFD روش بسیار توانائی است به طوری که طیف وسیعی از کاربرد های صنعتی و غیر صنعتی شامل بررسی سیستم های آئرودینامیکی در وسائط نقلیه ، سیستم های انتقال دارو و آزاد سازی کنترل شده در مهندسی پزشکی ، جریان خون عبوری از سرخرگها و سیاهرگها و بررسی پدیده انتقال جرم در ریه ها در علوم پزشکی ، توربینهای گاز و احتراق در نیروگاهها و توزیع آلودگی و جریانهای گذرا در محیط زیست را می توان به عنوان نمونه های کاربردی آن نام برد
ساختار برنامه های CFD روشهای عددی می باشد بطوریکه مسائل جریان سیال با استفاده از این روش قابل حل می باشد . امروزه دینامیک سیالت محاسباتی بصورت یک ابزار پرقدرت و توانا برای تحلیل رفتار جریان سیال و انتقال حرارت و جرم در سیستمها با هندسه ناموزون و پیچیده برای محققین و مهندسین در آمده است . مباحثی از جریان سیال وجود دارند که سیستمی از معادلات دیفرانسیل جزئی غیر خطی را تشکیل می دهند که به استثناء سیستمهای ساده ، دارای روشهای حل تحلیلی مشخصی نیستند. جهت تحلیل این سیستمها و تعیین پارامترهای آن می توان از روشهای تجربی و یا از روشهای عددی استفاده نمود . روشهای آزمایشگاهی جهت تحلیل جریان سیال دارای محدودیت های زیادی بوده و معمولا علاوه بر صرف هزینه زیاد ، زمان زیادی را نیز می گیرند
