بخشی از مقاله
چکیده
انرژي سینیتک جریان سیال یکی از مهمترین مباحث در جریان هاي آشفته می باشد . در جریان هاي آشفته - Turbulence - سیال ها در جهت هاي مختلفی با هم بر خورد دارند ، و با برخورد موکول هاي سیال به همدیگر انرژي تولید می شود . این امر در مخازن همزندار بسیار مشاهده میگردد . انرژي ایجاد شده که به صورت انرژي جنبشی آشفتهگی - - Turbulent Kinetic Energy نمایان است که با K نشان داده می شود ، رابطه مجذور با سرعت سیال - Velocity - دارد .
با استفاده از نرم افزار فلوئنت و برنامه نویسی می توان براي مخزن هاي هم زن دار انرژي جنبشی را بدست آورد . در این تحقیق نتایج انرژي سینتیک جریان براي 4 سرعت ورودي شفت هم زن دار راکتور تولید بیودیزل مورد مطالعه قرار گرفته است . که نشان گر این است که در کدام منطقه از راکتور بیشترین برخورد متناسب با سرعت ورودي ، به وقوع می پیوندد .
مقدمه
ترانس استریفیکاسیون یک فرآیند شناخته شده ي قدیمی در شیمی آلی می باشد. قبل از سال 1900 میلادي بیشتر صابون تولیدي با استفاده از فرآیند تجاري صابونی کردن چربی ها با اضافه نمودن هیدروکسیدسدیم یا هیدروکسید پتاسیم وآب صورت می گرفت و گلیسیرین آزاد شده توسط این فرآیند اغلب با صابون تولیدي باقی مانده و به صابون مزیت مرطوب کنندگی می داد.
در طی جنگ جهانی دوم، بدلیل تقاضاي فراوان گلیسیرین جهت تولید مواد منفجره، یک انگیزه ي قوي جهت خارج سازي گلیسیرین، طی فرآیند تولید صابون ایجاد شد - - van gerpen ., et al2003 .بیودیزل از لحاظ شیمیایی مونو آلکیل استرهاي با زنجیره ي طولانی اسیدهاي چرب است که از مواد خام تجزیه پذیر مانند روغن هاي گیاهی و چربی هاي حیوانی گرفته می شود و ویسکوزیته اي برابر 0/88 دارد که نزدیک به ویسکوزیته ي سوخت دیزل می باشد .
- Sahoo and Das, 2009 - این مواد خام حاوي تري گلیسیریدها، اسیدهاي چرب آزاد و آلودگیها می باشند و روغنهاي گیاهی می توانند به صورت خام، صمغ- زدایی شده ویا خالص سازي شده خریداري و استفاده گردند. انتخاب نوع روغن بر تکنولوژي تولیدي که مورد نیاز است تاثیر می گذارد - Van . - Gerpen., et al 2003 مواد خام اولیه در تولید بیودیزل شامل روغنهاي گیاهی خوراکی و غیر خوراکی مانند: سویا، منداب، کانولا، گلرنگ، نارگیل، نخل خرما، جاتروفا، گرچک، آفتابگردان، زیتون، بادام زمینی، کلزا، ذرت و... و نیز چربی هاي حیوانی مانند چربی خوك ،پیه ، چربی ماکیان و... وهمچنین روغن ضایعات آشپزخانه می باشد .
- Singh and Singh, 2010 - بیودیزل با سه روش عمده ي شکست حرارتی - هیدرولیز - ، میکروامولیسیون و ترانس استریفیکاسیون تولید می شود که آخري مرسوم ترین روش مورد استفاده در تولید بیودیزل می باشد . - Ma and Hanna, 1999 - در روش ترانس استریفیکاسیون، از لحاظ نسبت استکیومتري سه مول متانول با یک مول تري گلیسیرید در حضور کاتالیزور وارد واکنش می شوند و سه مونو متیل استر - بیودیزل - به همراه یک مول گلیسیرین - بعنوان محصول جانبی - تولید می شود . - Van Gerpen., et al 2003 - مرسوم ترین روش براي تولید بیودیزل فرآیند بچ می باشد . - Leevijit., et al 2006 -
فرآیند بچ یک روش طبیعی براي بالا بردن مقیاس تولید از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی می باشد . - Bonvin, 1998 - در دهه هاي گذشته بدلیل تغییر یکنواخت شرایط بازار، تولید کننده هاي محصولات شیمیایی به منظور تنظیم محصولاتشان با شرایط مطلوب بازار، از تولید بزرگ صنعتی پیوسته به سمت تولید بچ با محیط توربولانسی خیلی بیشتر حرکت کرده اند . - Bonvin, 1998 -
در فرآیندهاي بچ دبی مواد ورودي و خروجی به داخل راکتور صفر بوده و مواد بصورت متوالی از میان واحدهاي مختلف عملیاتی عبور می کنند . - Ruppen., et al 1997 - عملیات بچ 1 به این صورت است که: ابتدا روغن به داخل سیستم خورانده می-شود و به دنبال آن کاتالیزور و متانول به داخل آن وارد می شود. در سیستم طی زمانی که واکنش صورت می پذیرد عملیات همزنی انجام می شود.
سپس همزنی متوقف می شود. در برخی از فرآیندها به مخلوط واکنشی داخل راکتور اجازه داده می شود تا ته نشین شود تا اینکه جداسازي اولیه بین استرها و گلیسیرین صورت پذیرد. علم پیش بینی جریان سیال، انتقال حرارت، انتقال جرم، واکنش هاي شیمیایی و پدیده هاي مرتبط با حل پدیده هاي ریاضی فرآیند هاي عملی خود را بوسیله روش هاي عددي طی می کند. نتایج آزمایشات CFD بر اساس استفاده هاي زیر استوار شده اند - باکر ، : - 2006
1. مطالعات مفهومی از طراحی هاي جدید
2. مطالعه همراه با جزئیات در جهت توسعه و بسط آن شامل
3. رفع اشکالات طراحی
4. طراحی مجدد و نتیجه گیري از کار
5. تست هاي مکمل آنالیز هاي CFD و آزمایش
6. کاهش کارهاي انجام گرفته در کارگاه یا آزمایشگاه به سبب انجام کار هاي مربوطه با استفاده از رایانه مزیت هايCFD
1. کاهش قیمت
2. افزایش سرعت
3. توانایی براي شبیه سازي واقعی
4. توانایی براي شبیه سازي هاي مورد نظر
5. اطلاعات کامل
6. CFD به کاربر اجازه می دهد که در منطقه هاي مورد نظرش تحلیل هاي آزمایشی بسیاري را انجام داده و مجموعه کاملی از پارامتر هاي مربوط به جریان را بدست آورد.
استفاده از CFD براي تحلیل راکتور
هم زن ها به طور گسترده براي تخمیر و درمان فاضلاب و سایر مواد شیمیایی و برنامه هاي کاربردي مهندسی شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند . یعنی مخلوط کردن مایع حل شدنی با این ادوات قابل حل است . طیف گسترده اي از هم زن ها مختلفی براي اختلاط استفاده می شوند . . - Ankamma et al 2008 - براي تحلیل یک مخزن هم زن دار سه عامل زاویه تیغه پروانه ، هندسه مخزن و تیغه هاي منحرف کننده را باید دانست .
بعد از طراحی راکتور در گمبیت و مش بندي آن ، شکل بدست آمده را به محیط Fluent برده و در این نرم افزار با توجه به اینکه سیالات داخل مخزن از چه فرمول شیمایی و از چه ویسکوزیته اي بر خوردارند و سرعت دورانی هم زن چه مقدار است را باید وارد کرده تا مقدار قدرت مصرفی و انرژي را با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی بدست می آوریم . با استفاده از CFD ، می توانیم مکانیسم اختلاط مایعات در مخازن اختلاط را با ابزاري ساده تر و مقرون به صرفه تر نسبت به آزمایشات انجام داد و تحلیل کرد .
همچنین ، شبیه سازي CFD براي پیش بینی نیرو و جنبش این گونه مخازن در طیف گسترده اي از شرایط عملیاتی و با هندسه هاي مختلف مفید است. تحقیقات و آزمایشات انجام گرفته بر روي قدرت مصرفی همزن هاي توربینی جدید با امکان ذخیره سازي انرژي ارائه شده است اصلاح این هم زن ها با معرفی نوع اصلاحی به شکل هاي مستطیلی و V شکل نسبت به نوع قدیمی انجام گرفته است .
تحقیقات انجام گرفته قدرت مصرفی براي همزن هاي توربینی معرفی شده کمتر از نوع قدیمی بوده است . همچنین نوع V شکل مصرف انرژي کمتري نسبت به همزن توربینی مستطیلی شکل دارد . در این تحقیق شبیه سازي CFD براي پیش بینی مصرف توان با داده هاي تجربی مقایسه کرده است . و نتیجه حاصل شده از CFD با داده هاي تجربی مطابقت داشت . - Ankamma et al 2008 -
قدرت مصرفی یک سیستم مخلوط کن متغییر کلیدي در شیمی و مهندسی فرآیندهاي زیستی است . از طرفی ، پیش بینی انتقال از حالت شناوري به حالت باربري در یک مخزن متحرك براي طراحی صحیح از راکتور هاي داراي تانک متحرك تعیین کننده می باشد . در این تحقیق یک بررسی آزمایشگاهی روي مصرف انرژي جزئی و کلی از سیستم هاي گاز - مایع تکفاز در یک مخزن متحرك تیغه اي مجهز با توربین راشتن 6 تیغه اي دو گانه انجام شده است . علاوه بر آن ، عملکرد جاري شدن سیستم گاز - مایع بررسی شده است . نتایج با اطلاعات نرم افزاري بدست آمده از شبیه سازي CFD مقایسه شد و سازگاري منطقی بین نتایج تجربی و نتایج حاصل از شبیه سازي CFD مشاهده گردید .
